JP2018037454A - 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】レーザー光の偏光方向の安定性を高めることができる面発光レーザーを提供する。
【解決手段】基板と、活性層で発生する光を共振させる共振部、および前記共振部に接続され前記活性層に歪みを付与する第１歪付与部を有し、前記基板に設けられている積層体と、前記基板に設けられ、前記活性層に歪みを付与する第２歪付与部と、を含み、前記積層体は、前記活性層と、前記活性層を挟む第１ミラー層および第２ミラー層と、を有し、積層方向から見て、前記第１歪付与部は、前記共振部から互いに反対方向に突出する第１部分および第２部分を有し、前記積層方向から見て、前記第２歪付与部の長手方向と前記第１歪付与部の長手方向とは同じ方向であり、前記基板の線膨張係数に対する前記第２歪付与部の線膨張係数の大小関係は、前記基板の線膨張係数に対する前記第１歪付与部の線膨張係数の大小関係と同じである、ことを特徴とする面発光レーザー。
【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。レーザー光の偏光方向を制御する手法として、例えば特許文献１には、活性層に異方的な歪みを付与する歪付与部を設けてレーザー光の偏光方向を安定化させる技術が開示されている。特許文献１の面発光レーザーは、歪付与部と活性層で発生した光を共振させる共振部とを含む積層体を有しており、当該積層体は、歪付与部が設けられることで、平面視において、長手方向を有する形状となっている。積層体が長手方向を有する形状であることにより、活性層に異方的な歪みを付与することができ、その結果、レーザー光の偏光方向を制御できる。
特開２０１５−１１９１４３号公報
しかしながら、特許文献１の手法では、活性層に十分な歪みを与えることができずに、レーザー光の偏光方向が安定しない場合がある。例えば、面発光レーザーを高温動作させた場合、歪付与部によって活性層に付与された異方的な歪みが緩和されて、レーザー光の偏光方向が安定しないおそれがある。
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、従来よりもレーザー光の偏光方向の安定性を高め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、
活性層で発生する光を共振させる共振部、および前記共振部に接続され前記活性層に歪みを付与する第１歪付与部を有し、前記基板に設けられている積層体と、
前記基板に設けられ、前記活性層に歪みを付与する第２歪付与部と、
を含み、
前記積層体は、前記活性層と、前記活性層を挟む第１ミラー層および第２ミラー層と、を有し、
前記第１ミラー層と前記活性層との積層方向から見て、前記第１歪付与部は、前記共振部から互いに反対方向に突出する第１部分および第２部分を有し、
前記積層方向から見て、前記第２歪付与部の長手方向と前記第１歪付与部の長手方向とは同じ方向であり、
前記基板の線膨張係数に対する前記第２歪付与部の線膨張係数の大小関係は、前記基板の線膨張係数に対する前記第１歪付与部の線膨張係数の大小関係と同じである。
このような面発光レーザーでは、第２歪付与部８の長手方向と第１歪付与部の長手方向とは同じ方向であり、かつ、基板の線膨張係数に対する第２歪付与部の線膨張係数の大小関係は、基板の線膨張係数に対する第１歪付与部の線膨張係数の大小関係と同じである。そのため、第２歪付与部は、第１歪付与部と同じ異方性を持った歪みを、活性層に付与することができる。したがって、このような面発光レーザーでは、例えば第２歪付与部を有さない面発光レーザーと比べて、レーザー光の偏光方向の安定性を高めることができる。
本発明に係る面発光レーザーにおいて、
前記第２歪付与部は、前記積層体と離間していてもよい。
このような面発光レーザーでは、第２歪付与部が積層体と離間しているため、積層体の形状を変えることなく、活性層に歪みを付与することができる。
本発明に係る面発光レーザーにおいて、
前記第２歪付与部は、複数設けられていてもよい。
このような面発光レーザーでは、例えば第２歪付与部が１つの場合と比べて、より大きな歪みを活性層に付与することができ、レーザー光の偏光方向の安定性をより高めることができる。
本発明に係る面発光レーザーにおいて、
前記積層方向から見て、複数の前記第２歪付与部は、前記第１歪付与部の長手方向に直交する方向に配列されていてもよい。
このような面発光レーザーでは、例えば複数の第２歪付与部を第１歪付与部の長手方向に配列した場合と比べて、第１歪付与部の長手方向において基板の大きさを小さくすることができる。例えば、複数の第２歪付与部を第１歪付与部の長手方向に配列した場合、第２歪付与部の長手方向と第２歪付与部の配列方向とが同じ方向となってしまうため、第１歪付与部の長手方向において基板の大きさが大きくなってしまう。
本発明に係る面発光レーザーにおいて、
前記積層方向から見て、前記共振部の中心を通り、かつ、前記第１歪付与部の長手方向に延びる仮想直線を境にして、前記基板を第１領域と第２領域に分けた場合に、
複数の前記第２歪付与部のうちの一部の前記第２歪付与部は、前記第１領域に位置し、
複数の前記第２歪付与部のうちの他の一部の前記第２歪付与部は、前記第２領域に位置していてもよい。
このような面発光レーザーでは、例えば一方の領域にのみ第２歪付与部が位置している場合と比べて、活性層に対称性の良い歪みを付与することができる。
本発明に係る面発光レーザーにおいて、
前記第１領域に位置している前記第２歪付与部の数と前記第２領域に位置している前記第２歪付与部の数とは、等しくてもよい。
このような面発光レーザーでは、例えば第１領域に位置している第２歪付与部の数と第２領域に位置している第２歪付与部の数とが異なる場合と比べて、活性層に対称性の良い歪みを付与することができる。
本発明に係る面発光レーザーにおいて、
前記積層方向から見て、前記第１歪付与部の長手方向と直交する方向において前記第２歪付与部と前記基板の端部との間の距離は、前記第２歪付与部と前記積層体との間の距離よりも小さくてもよい。
このような面発光レーザーでは、第２歪付与部と積層体との間にスペースをつくることができるため、例えば、当該スペースに活性層に電流を注入するための電極を配置することができる。これにより、当該スペースに形成された電極と、共振部上に形成される電極と、の間の電流の経路を短くすることができる。
本発明に係る面発光レーザーにおいて、
前記積層方向において、前記第２歪付与部の大きさは、前記共振部の大きさよりも大きくてもよい。
このような面発光レーザーでは、例えば第２歪付与部の大きさが前記共振部の大きさ以下の場合と比べて、より大きな歪みを活性層に付与することができる。
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、光源として偏光方向の安定したレーザー光を射出可能な面発光レーザーを用いることができる。
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。 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。 ベア基板の反りを計測した結果を示すグラフ。 エピ基板の反りを計測した結果を示すグラフ。 面発光レーザーが完成した状態の基板の反りを計測した結果を示すグラフ。 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。 第１変形例に係る面発光レーザーを模式的に示す平面図。 第２変形例に係る面発光レーザーを模式的に示す平面図。 第３変形例に係る面発光レーザーを模式的に示す平面図。 第３変形例に係る面発光レーザーを模式的に示す断面図。 第４変形例に係る面発光レーザーを模式的に示す平面図。 第４変形例に係る面発光レーザーを模式的に示す断面図。 第５変形例に係る面発光レーザーを模式的に示す断面図。 第５変形例に係る面発光レーザーを模式的に示す断面図。 第６変形例に係る面発光レーザーを模式的に示す平面図。 第６変形例に係る面発光レーザーを模式的に示す断面図。 本実施形態に係る原子発振器を示す機能ブロック図。 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。図５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Ｖ−Ｖ線断面図である。
なお、便宜上、図２では、積層体２および第２歪付与部８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および第２歪付与部８以外の部材の図示を省略している。また、図１〜図５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５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、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。基板１０には、第１歪付与部４および共振部６を有している積層体２と、第２歪付与部８と、が設けられている。
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および図５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、例えば４０．５ペアである。
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、第１部分２０ａ上に設けられ第２歪付与部８の一部を構成している第３部分２０ｃと、を有している。
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。活性層３０は、第１ミラー層２０と第２ミラー層４０とで挟まれている。
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、図４に示す積層体２において、例えば３ペア以上４０ペア以下であり、例えば２０ペアである。また、図５に示す第２歪付与部８では、高屈折率層４４と低屈折率層４６との積層数（ペア数）は、例えば図４に示す積層体２における積層数と同じであってもよいし、積層体２における積層数よりも多くてもよい。
共振部６において、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。電流狭窄層４２は絶縁層である。共振部６において、電流狭窄層４２には、開口部４３が形成されている。電流狭窄層４２によって、電極８０，８２により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、積層体２において、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。図示の例では、コンタクト層５０は、第２歪付与部８には設けられていない。
積層体２は、基板１０に設けられている。図示の例では、積層体２は、第１ミラー層２０を介して基板１０上に設けられている。積層体２は、第１ミラー層２０の第１部分２０ａ上において、Ｚ軸方向に突出した凸部を構成している。積層体２は、第１ミラー層２０（第２部分２０ｂ）、活性層３０、第２ミラー層４０、電流狭窄層４２、およびコンタクト層５０で構成されている。
積層体２は、樹脂層７０によって囲まれている。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、図示の例ではＺ軸方向から見て）、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４と、共振部６と、を含む。
第１歪付与部４は、共振部６に接続されている。第１歪付与部４は、第１部分４ａと第２部分４ｂを有している。第１部分４ａおよび第２部分４ｂは、平面視において、共振部６を挟んでＹ軸方向に対向している。第１部分４ａおよび第２部分４ｂは、平面視において、共振部６から互いに反対方向に突出している。具体的には、第１部分４ａは、平面視において、共振部６から＋Ｙ軸方向に突出している。第２部分４ｂは、平面視において、共振部６から−Ｙ軸方向に突出している。第１部分４ａおよび第２部分４ｂは、共振部６
と一体に設けられている。
第１歪付与部４のＹ軸方向の長さ（第１部分４ａのＹ軸方向の長さと第２部分４ｂのＹ軸方向の長さの和）は、第１歪付与部４のＸ軸方向の長さよりも大きい。すなわち、第１歪付与部４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、Ｙ軸方向に長手方向を有する形状である。なお、第１部分４ａ（または第２部分４ｂ）のＹ軸方向の長さとは、第１部分４ａにおいて最もＹ軸方向の長さが大きい部分の長さである。また、第１歪付与部４のＸ軸方向の長さとは、第１歪付与部４において最もＸ軸方向の長さが大きい部分の長さである。
第１歪付与部４は、活性層３０に異方的な歪みを付与して、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４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）は、活性層３０に付与する歪みを発生させる発生源となる。
ここで、第１歪付与部４が、共振部６を構成する活性層３０に異方的な歪みを付与できる理由について説明する。
図６は、ベア基板の反りを計測した結果を示すグラフである。図７は、エピ基板の反りを計測した結果を示すグラフである。図８は、第１歪付与部を備えた面発光レーザーが完成した状態の基板（完成基板）の反りを計測した結果を示すグラフである。
なお、ベア基板は、半導体層が成膜されていない状態の基板（ウエハ）である。エピ基板は、ベア基板に面発光レーザーを構成する半導体層（第１ミラー層、活性層、第２ミラー層、電流狭窄層、およびコンタクト層）を成膜した状態の基板（ウエハ）である。なお、エピ基板では、成膜された半導体層はパターニングされていない。完成基板とは、エピ基板に成膜された半導体層をパターニングし、電極、樹脂層等を形成して、面発光レーザーを完成させた状態の基板（ウエハ）である。なお、完成基板に形成された面発光レーザーは、上述した面発光レーザー１００から第２歪付与部８を除いたものである。また、完成基板には、複数の面発光レーザーが形成されている。
図６〜図８は、段差計で基板（ウエハ）の横方向（図１〜図５に示すＸ軸方向に相当）および縦方向（図１〜図５に示すＹ軸方向に相当、第１歪付与部の長手方向と同じ方向）をスキャンして、それぞれの方向における基板の反りを計測した結果を示している。なお、ベア基板およびエピ基板の厚さは３５０μｍであり、完成基板の厚さは２００μｍである。
図６および図７に示すように、ベア基板に半導体層を成膜した場合、ベア基板の線膨張係数と半導体層の線膨張係数との差によって応力が生じ、基板に反りが生じる。ここで、基板（ＧａＡｓ基板）の線膨張係数は５．９７×１０−６／Ｋである。また、第１ミラー層（ｎ型のＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層とｎ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とからなるｎＤＢＲ層）の線膨張係数は５．０３７×１０−６／Ｋである。また、第２ミラー層（ｐ型のＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層とｐ型のＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とからなるｐＤＢＲ層）の線膨張係数は５．０１９×１０−６／Ｋである。したがって、基板の線膨張係数に対して第１歪付与部の線膨張係数は小さい。その結果、エピ基板は、図７に示すように、基板の中央部の高さが基板の端部の高さよりも大きくなるように凸状に反る。
ベア基板に半導体層を成膜したことによって生じた基板の反りは、通常、半導体層をパターニング等して面発光レーザーを完成させることにより減少する。これは、ベア基板の線膨張係数と半導体層の線膨張係数との差によって生じた応力が、半導体層がパターニン
グされることによって開放されるためである。
図８に示すように、完成基板では、図７に示すエピ基板と比べて、横方向の反りは減少しているが、縦方向の反りはほぼ維持されている。これは、第１歪付与部の長手方向が基板の縦方向（Ｙ軸方向）と一致するように設けられていることにより、第１歪付与部によって縦方向の応力が開放されずに維持されるためである。図８に示すように、基板の横方向の反りが減少し、かつ、基板の縦方向の反りが維持されることで、基板（基板上に形成された活性層）に異方的な歪みを付与することができる。
共振部６は、第１部分４ａと第２部分４ｂとの間に設けられている。Ｘ軸方向における共振部６の長さは、Ｘ軸方向における第１歪付与部４（第１部分４ａおよび第２部分４ｂ）の長さよりも大きい。共振部６の平面形状は、例えば、円である。
共振部６は、活性層３０で発生した光を共振させる。すなわち、共振部６では、垂直共振器が形成される。
第２歪付与部８は、基板１０に設けられている。図示の例では、第２歪付与部８は、第１ミラー層２０を介して基板１０上に設けられている。第２歪付与部８は、第１ミラー層２０の第１部分２０ａ上において、Ｚ軸方向に突出した凸部を構成している。第２歪付与部８は、第１ミラー層２０（第３部分２０ｃ）、活性層３０、第２ミラー層４０、および電流狭窄層４２で構成されている。
第２歪付与部８の平面形状は、Ｙ軸方向に長手方向を有する形状である。すなわち、Ｙ軸方向における第２歪付与部８の長さは、Ｘ軸方向における第２歪付与部８の長さよりも長い。第２歪付与部８の平面形状は、例えば、Ｙ軸方向に長辺を有する長方形である。なお、第２歪付与部８の平面形状は、長手方向を有する形状であれば特に限定されない。第２歪付与部８が活性層３０に付与する異方的な歪みを大きくするためには、平面視において、第２歪付与部８の短手方向の長さＬ１と長手方向の長さＬ２との比（Ｌ２／Ｌ１）が、大きいほうが望ましい。
第２歪付与部８の長手方向と、第１歪付与部４の長手方向とは、同じ方向（Ｙ軸方向）である。すなわち、第２歪付与部８の長手方向と第１歪付与部４の長手方向とは、平行である。第２歪付与部８の長手方向（Ｙ軸方向）の長さは、例えば、積層体２の長手方向（Ｙ軸方向）の長さと等しい。
面発光レーザー１００において、基板１０をＧａＡｓ基板、第１ミラー層２０および第２ミラー層４０をＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とからなるＤＢＲ層とした場合、第１歪付与部４の線膨張係数は、上述したように、基板１０の線膨張係数よりも小さい。また、第２歪付与部８は、コンタクト層５０を有さない点を除いて第１歪付与部４と同様の層構造を有している。したがって、第２歪付与部８の線膨張係数は、第１歪付与部４と同様に、基板１０の線膨張係数よりも小さい。このように、基板１０の線膨張係数に対する第２歪付与部８の線膨張係数の大小関係は、基板１０の線膨張係数に対する第１歪付与部４の線膨張係数の大小関係と同じである。
なお、ここでは、基板１０の線膨張係数に対する第１歪付与部４および第２歪付与部８の線膨張係数がともに小さい場合について説明したが、基板１０の線膨張係数に対する第１歪付与部４および第２歪付与部８の線膨張係数がともに大きくてもよい。このような場合でも、基板１０の線膨張係数に対する第２歪付与部８の線膨張係数の大小関係は、基板１０の線膨張係数に対する第１歪付与部４の線膨張係数の大小関係と同じであるといえる。
上記のように、面発光レーザー１００では、平面視において、第１歪付与部４の長手方向と第２歪付与部８の長手方向とは同じ方向であり、かつ、基板１０の線膨張係数に対する第２歪付与部８の線膨張係数の大小関係が、基板１０の線膨張係数に対する第１歪付与部４の線膨張係数の大小関係と同じである。これにより、第２歪付与部８が活性層３０に付与する歪みと第１歪付与部４が活性層３０に付与する歪みとは、同じ異方性を持つ。すなわち、第２歪付与部８は、第１歪付与部４と同じ異方性を持った歪みを、活性層３０に付与することができる。
第２歪付与部８は、積層体２と離間して設けられている。すなわち、第２歪付与部８と積層体２とは、接していない。
第２歪付与部８は、複数設けられている。図示の例では、第２歪付与部８は、２つ設けられている。なお、図示はしないが、第２歪付与部８は、１つであってもよい。平面視において、共振部６の中心を通り、かつ、第１歪付与部４の長手方向に延びる仮想直線Ａを境にして、基板１０を第１領域１０ａと第２領域１０ｂとに分けた場合、２つの第２歪付与部８のうちの一方は第１領域１０ａに位置し、２つの第２歪付与部８のうちの他方は第２領域１０ｂに位置している。平面視において、２つの第２歪付与部８は、仮想直線Ａに関して対称に配置されている。
平面視において、第１歪付与部４の長手方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｘ軸方向）において、第２歪付与部８と積層体２との間の距離Ｄ１は、第２歪付与部８と基板１０の端部（外縁）との間の距離Ｄ２よりも小さい。そのため、第２歪付与部８と基板１０の端部との間に電極８０を配置することができる。なお、距離Ｄ１は、Ｘ軸方向における第２歪付与部８と積層体２との間の最短距離である。また、距離Ｄ２は、Ｘ軸方向における第２歪付与部８と基板１０の端部との間の最短距離である。
第２歪付与部８は、上述したように、第１ミラー層２０、活性層３０、第２ミラー層４０、および電流狭窄層４２で構成されている。第２歪付与部８は、コンタクト層５０を含んでいてもよいが、コンタクト層５０を含まないほうがより好ましい。コンタクト層５０の材質は基板１０と同じＧａＡｓであるため（すなわちコンタクト層５０と基板１０とは線膨張係数が同じであるため）、仮に第２歪付与部８がコンタクト層５０を含んで構成されている場合、コンタクト層５０は、第２歪付与部８による歪みの効果を低減させるためである。第２歪付与部８の高さ（Ｚ軸方向の大きさ）は、例えば、積層体２の高さ（Ｚ軸方向の大きさ）よりも小さい。図示はしないが、第２歪付与部８の高さと積層体２の高さが同じであってもよい。このとき、第２歪付与部８は、コンタクト層５０分だけ第２ミラー層４０の膜厚が大きくてもよい。
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４を覆っている。すなわち、樹脂層７０は、第１歪付与部４の側面、および第１歪付与部４の上面に設けられている。樹脂層７０は、第１歪付与部４を完全に覆っていてもよいし、第１歪付与部４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、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、同じ方向である。
樹脂層７０は、第２歪付与部８を覆っていない。樹脂層７０がポリイミドである場合、
樹脂層７０の線膨張係数は、基板１０の線膨張係数よりも大きい。そのため、仮に樹脂層７０が第２歪付与部８を覆っている場合、樹脂層７０は、第２歪付与部８による歪みの効果を低減させるためである。
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。
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。
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は、第２歪付与部８の長手方向と第１歪付与部４の長手方向とは同じ方向であり、かつ、基板１０の線膨張係数に対する第２歪付与部８の線膨張係数の大小関係は、基板１０の線膨張係数に対する第１歪付与部４の線膨張係数の大小関係と同じである。そのため、第２歪付与部８は、第１歪付与部４と同じ異方性を持った歪みを、活性層３０に付与することができる。したがって、面発光レーザー１００では、例えば第２歪付与部８を有さず第１歪付与部４のみを有する面発光レーザー（従来の面発光レーザー）と比べて、レーザー光の偏光方向の安定性を高めることができる。
例えば、従来の面発光レーザーを高温動作させた場合、基板の線膨張係数と半導体層の線膨張係数との差によって生じた応力は減少する。これにより、活性層に付与されるＸ軸方向の歪みとＹ軸方向の歪みとの差が小さくなり、レーザー光の偏光方向の安定性が低下してしまう。これに対して、面発光レーザー１００では、第１歪付与部４に加えて第２歪付与部８によっても活性層３０に異方的な歪みを付与できるため、高温動作させた場合であっても、従来の面発光レーザーに比べて、レーザー光の偏光方向の安定性が高い。
面発光レーザー１００では、第２歪付与部８は、積層体２と離間しているため、積層体２の形状を変えることなく、活性層３０に歪みを付与することができる。
面発光レーザー１００では、第２歪付与部８は、複数設けられている。そのため、例えば、第２歪付与部８が１つの場合と比べて、共振部６を構成する活性層３０に、より大きな歪みを付与することができ、レーザー光の偏光方向の安定性をより高めることができる。
面発光レーザー１００では、基板１０を第１領域１０ａと第２領域１０ｂに分けた場合に、２つの第２歪付与部８のうちの一方は、第１領域１０ａに位置し、２つの第２歪付与部８のうちの他方は、第２領域１０ｂに位置している。そのため、面発光レーザー１００
では、例えば一方の領域にのみ第２歪付与部８が位置している場合と比べて、共振部６を構成する活性層３０に対称性のよい歪みを付与することができる。
ここで、線膨張係数の計測方法の一例について説明する。
基板１０の線膨張係数に対する歪付与部（第１歪付与部４または第２歪付与部８）の線膨張係数の大小関係は、以下の方法により測定が可能である。
まず、基板の全面に、測定対象となる歪付与部と同じ層構造の積層体を形成する。これにより、基板の線膨張係数と積層体の線膨張係数との差によって反りが生じる。積層体を成膜する前の基板の反り量（曲率半径Ｒ０）と積層体を成膜した後の基板の反り量（曲率半径Ｒｈ）とした場合、積層体による応力は（１／Ｒｈ−１／Ｒ０）に比例する。
（１／Ｒｈ−１／Ｒ０）が正の場合には、積層体の線膨張係数は基板の線膨張係数よりも小さい。また、（１／Ｒｈ−１／Ｒ０）が負の場合には、積層体の線膨張係数は基板の線膨張係数よりも大きい。
なお、異なる層構造を有する積層体の線膨張係数の大小関係は、（１／Ｒｈ−１／Ｒ０）の絶対値により決まる。（１／Ｒｈ−１／Ｒ０）の絶対値が大きい積層体ほど、基板との線膨張係数の差が大きいといえる。
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９〜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９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、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。次に、第２歪付与部８上のコンタクト層５０をエッチングする。
図１０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および第２歪付与部８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９に示す工程で形成されたコンタクト層５０は、積層体２を構成する。
図１１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。
図２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。
次に、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． 面発光レーザーの変形例
次に、本実施形態に係る面発光レーザーの変形例について、図面を参照しながら説明する。以下、本実施形態の変形例に係る面発光レーザーにおいて、上述した面発光レーザー１００の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
３．１． 第１変形例
図１２は、第１変形例に係る面発光レーザー２００を模式的に示す平面図である。
上述した面発光レーザー１００では、図１に示すように、第２歪付与部８の長手方向（Ｙ軸方向）の長さは、積層体２の長手方向（Ｙ軸方向）の長さと等しかった。
これに対して、第１変形例に係る面発光レーザー２００では、図１２に示すように、第２歪付与部８の長手方向の長さは、積層体２の長手方向の長さよりも大きい。第２歪付与部８の長手方向の長さを大きくすることにより、共振部６を構成する活性層３０に、より大きな歪みを付与することができ、レーザー光の偏光方向の安定性をより高めることができる。
３．２． 第２変形例
図１３は、第２変形例に係る面発光レーザー３００を模式的に示す平面図である。
上述した面発光レーザーでは、図１に示すように、平面視において、第１歪付与部４の長手方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｘ軸方向）において、第２歪付与部８と積層体２との間の距離Ｄ１は、第２歪付与部８と基板１０の端部との間の距離Ｄ２よりも小さかった。
これに対して、第２変形例に係る面発光レーザー３００では、図１３に示すように、平面視において、第１歪付与部４の長手方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｘ軸方向）において、第２歪付与部８と積層体２との間の距離Ｄ１は、第２歪付与部８と基板１０の端部との間の距離Ｄ２よりも大きい。これにより、積層体２と第２歪付与部８との間にスペースをつくることができるため、当該スペースに第１電極８０を配置することができる。この結果、例えば、第１電極８０が第２歪付与部８と基板１０の端部との間に配置されている場合（図１参照）と比べて、第１電極８０を積層体２の近くに配置することができ、第１電極８０と第２電極８２との間の電流の経路を短くすることができる。
第２歪付与部８は、図１３に示す例では、基板１０の＋Ｙ軸方向の端部から−Ｙ軸方向の端部まで延在している。このように、第２歪付与部８の長手方向の長さを大きくすることにより、第２歪付与部８によって活性層３０に付与される歪みを大きくすることができ、レーザー光の偏光方向の安定性をより高めることができる。
３．３． 第３変形例
図１４は、第３変形例に係る面発光レーザー４００を模式的に示す平面図である。図１５は、第３変形例に係る面発光レーザー４００を模式的に示す図１４のＸＶ−ＸＶ線断面図である。
上述した面発光レーザー１００では、図１および図２に示すように、第１電極８０は、第１ミラー層２０上に設けられていた。
これに対して、第３変形例に係る面発光レーザー４００では、図１４および図１５に示すように、第１電極８０は、基板１０の下面（積層体２が形成される側の面とは反対側の面）に設けられている。第１電極８０は、例えば、基板１０の下面の全面に設けられている。
第１電極８０を基板１０の下面に設けることで、例えば第１電極８０が第１ミラー層２０上に形成される場合と比べて、第２歪付与部８の配置の自由度を高めることができる。
３．４． 第４変形例
図１６は、第４変形例に係る面発光レーザー５００を模式的に示す平面図である。図１７は、第４変形例に係る面発光レーザー５００を模式的に示す図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線断面図である。
上述した面発光レーザー１００は、図１に示すように、２つの第２歪付与部８を有しており、平面視において、２つの第２歪付与部８のうちの一方が第１領域１０ａに位置し、他方が第２領域１０ｂに位置していた。
これに対して、面発光レーザー５００は、図１６および図１７に示すように、複数（８個）の第２歪付与部８を有しており、平面視において、複数の第２歪付与部８のうちの一部（４個）の第２歪付与部８が第１領域１０ａに位置し、他の一部（４個）の第２歪付与部８が第２領域１０ｂに位置している。
第１領域１０ａに配置される第２歪付与部８の数と第２領域１０ｂに配置される第２歪付与部８の数とは、等しい。これにより、例えば第１領域１０ａに位置している第２歪付与部８の数と第２領域１０ｂに位置している第２歪付与部８の数とが異なる場合と比べて、共振部６を構成する活性層３０に対称性のよい歪みを付与することができる。
複数の第２歪付与部８は、第２歪付与部８の長手方向（Ｙ軸方向）と直交する方向（Ｘ軸方向）に配列されている。そのため、例えば複数の第２歪付与部８をＹ軸方向に配列した場合と比べて、基板１０のＹ軸方向の大きさを小さくすることができる。例えば、複数の第２歪付与部８をＹ軸方向に配列した場合、第２歪付与部８の長手方向と第２歪付与部８の配列方向とが同じ方向となってしまうため、基板１０のＹ軸方向の大きさが大きくなってしまう。
複数の第２歪付与部８は、積層体２（樹脂層７０）が形成された領域を除いて、基板１０の−Ｘ軸方向の端部から基板１０の＋Ｘ軸方向の端部まで配列されている。第１領域１０ａおよび第２領域１０ｂのそれぞれにおいて、第２歪付与部８は、等間隔に配置されている。隣り合う第２歪付与部８間の距離は、適宜設定可能である。複数の第２歪付与部８は、仮想直線Ａに関して、対称に配置されている。
第２歪付与部８は、基板１０の＋Ｙ軸方向の端部から−Ｙ軸方向の端部まで延在している。第１領域１０ａおよび第２領域１０ｂに配置されている複数（８個）の第２歪付与部８は、同じ形状を有している。
面発光レーザー５００では、第１電極８０は基板１０の下面に設けられているため、例えば第１電極８０が第１ミラー層２０上に設けられる場合と比べて、より多くの第２歪付
与部８を第１ミラー層２０上に配置することができる。
なお、面発光レーザー５００において、第２歪付与部８の数は特に限定されない。また、第２歪付与部８の長手方向の長さは、図１６に示すように、積層体２の長手方向の長さよりも大きい。なお、第２歪付与部８の長手方向の長さは、図示はしないが，積層体２の長手方向の長さよりも小さくてもよい。
３．５． 第５変形例
図１８は、第５変形例に係る面発光レーザー６００を模式的に示す断面図である。
上述した面発光レーザー１００では、図２に示すように、第２歪付与部８の高さ（Ｚ軸方向の大きさ、第１ミラー層２０と活性層３０との積層方向の大きさ）は、積層体２の高さよりも小さかった。
これに対して、第５変形例に係る面発光レーザー６００では、図１８に示すように、第２歪付与部８の高さは、共振部６（積層体２）の高さよりも大きい。これにより、例えば第２歪付与部８の高さが共振部６の高さよりも小さい場合に比べて、共振部６を構成する活性層３０に、より大きな歪みを付与することができる。
図１８に示す例では、第２歪付与部８を構成する第２ミラー層４０の膜厚を、積層体２を構成する第２ミラー層４０の膜厚よりも厚くすることで（例えば高屈折率層２４と低屈折率層２６のペア数を多くすることで）、第２歪付与部８の高さを共振部６の高さよりも大きくしている。
また、例えば、図１９に示すように、第２歪付与部８の周囲に溝９を形成することで、第２歪付与部８の高さを積層体２の高さよりも大きくしてもよい。
なお、ここでは、第１歪付与部４の高さと共振部６の高さが同じであり、かつ、第２歪付与部８の高さを第１歪付与部４の高さおよび共振部６の高さよりも大きくする例について説明したが、第２歪付与部８の高さを共振部６の高さよりも大きくし、かつ、第２歪付与部８の高さと第１歪付与部４の高さとを等しくしてもよい。
３．６． 第６変形例
図２０は、第６変形例に係る面発光レーザー７００を模式的に示す平面図である。図２１は、第６変形例に係る面発光レーザー７００を模式的に示す図２０のＸＸＩ−ＸＸＩ線断面図である。
上述した面発光レーザー１００では、図１および図２に示すように、第２歪付与部８は、積層体２と離間していた。
これに対して、第６変形例に係る面発光レーザー７００では、図２０および図２１に示すように、第２歪付与部８と積層体２とは、導熱部７１０を介して接続されている。
導熱部７１０は、図示の例では２つ設けられている。一方の導熱部７１０は、積層体２（共振部６）から−Ｘ軸方向に延在して、第１領域１０ａに配置された２つの第２歪付与部８に接続されている。また、他方の導熱部７１０は、積層体２（共振部６）から＋Ｘ軸方向に延在して第２領域１０ｂに配置された２つの第２歪付与部８に接続されている。導熱部７１０は、積層体２と第２歪付与部８とを接続するとともに、隣り合う第２歪付与部８を接続している。
導熱部７１０および第２歪付与部８は、平面視において、仮想直線Ａに関して対称に配置される。
導熱部７１０は、第１ミラー層２０の第４部分２０ｄ、活性層３０、および電流狭窄層４２を含んで構成されている。第１ミラー層２０の第４部分２０ｄは、第１ミラー層２０の第１部分２０ａ上に設けられており、共振部６、第２歪付与部８、導熱部７１０を構成する部分である。導熱部７１０の熱伝導率は、例えば、基板１０の熱伝導率よりも高い。
導熱部７１０の高さ（Ｚ軸方向の大きさ）は、積層体２の高さおよび第２歪付与部８の高さよりも小さい。これにより、導熱部７１０が活性層３０に付与する歪みの影響を小さくすることができる。導熱部７１０の平面形状は、Ｘ軸方向に長手方向を持つ形状であるため、導熱部７１０が活性層３０に付与する歪みと第１歪付与部４および第２歪付与部８が活性層３０に付与する歪みとは、異なる異方性を持つ。そのため、導熱部７１０が活性層３０に付与する歪みの影響は小さくすることが望ましい。
面発光レーザー７００では、導熱部７１０によって共振部６で発生する熱を第２歪付与部８に伝達することができる。第２歪付与部８に伝達された熱は、第２歪付与部８で放熱される。したがって、面発光レーザー７００では、共振部６の温度上昇を抑制することができる。
３．７． 第７変形例
上述した面発光レーザー１００の例では、第１ミラー層２０および第２ミラー層４０がＡｌ０．１２Ｇａ０．８８Ａｓ層とＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とからなるＤＢＲ層である例について説明したが、本変形例では、第１ミラー層２０および第２ミラー層４０を構成するＤＢＲ層がその他の半導体材料を用いて形成されていてもよい。
例えば、第１ミラー層２０および第２ミラー層４０は、ＡｌＮ層とＧａＮ層とからなるＤＢＲ層であってもよい。この場合、基板１０としてはサファイア基板を用いることができる。ここで、サファイア基板の線膨張係数は、７×１０−６／Ｋである。また、ＡｌＮの線膨張係数は、４．６×１０−６／Ｋである。また、ＧａＮの線膨張係数は、５．６××１０−６／Ｋである。したがって、基板１０の線膨張係数に対する第１歪付与部４の線膨張係数は小さい。同様に、基板１０の線膨張係数に対する第２歪付与部８の線膨張係数は小さい。したがって、このような材料を用いた場合であっても、第２歪付与部８は、第１歪付与部４と同じ異方性を持った歪みを、活性層３０に付与することができる。
３．８． 第８変形例
上述した面発光レーザー１００の例では、第２歪付与部８は、第１ミラー層２０、活性層３０、第２ミラー層４０、および電流狭窄層４２で構成されており、積層体２を構成する材料と同様の半導体材料で構成されていた。
これに対して、本変形例では、第２歪付与部８を構成する材料は、基板１０の線膨張係数に対する第２歪付与部８の線膨張係数の大小関係が、基板１０の線膨張係数に対する第１歪付与部４の線膨張係数の大小関係と同じであれば、積層体２を構成する材料と異なっていてもよい。例えば、第２歪付与部８は、半導体材料以外の材料（金属や樹脂等）で構成されていてもよい。
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２２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２２に示すように、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１００２と、光検出部１００４と、中心波長可変部１００６と、高周波発生部１００８と、吸収検出部１０１０と、ＥＩＴ検出部１０１２と、制御部１０２０と、を含む。制御部１０２０は、中心波長制御部１０２２と、高周波制御部１０２４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。
面発光レーザー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１００２に封入されたアルカリ金属原子を照射する。
ここで、図２３は、共鳴光の周波数スペクトラムを示す図である。図２４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。面発光レーザー１００から射出される光Ｌは、図２３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２４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２４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２３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１００２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。ガスセル１００２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１００４は、ガスセル１００２を透過した（ガスセル１００２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１００４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１００４としては、例えば、フォトダイオードを用いる。
中心波長可変部１００６は、中心波長制御部１０２２からの信号に基づいて、面発光レーザー１００の電極８０，８２（図１参照）間に電圧を印加して活性層３０に電流を注入し、面発光レーザー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１００６は、電極８０，８２間に電圧を印加する電源を含んで構成されていてもよい。
高周波発生部１００８は、高周波制御部１０２４からの信号に基づいて、面発光レーザー１００の電極８０，８２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１００８は、専用回路によって実現されていてもよい。
吸収検出部１０１０は、例えば、光Ｌの中心波長を変えたときの光検出部１００４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１０１０は、専用回路によって実現されていてもよい。
ＥＩＴ検出部１０１２は、光検出部１００４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１０１２は、専用回路によって実現されていてもよい。
中心波長制御部１０２２は、吸収検出部１０１０からの信号に基づいて、中心波長可変部１００６を制御することにより、面発光レーザー１００の活性層３０（図２参照）に注入する電流を制御して、面発光レーザー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１０２４は、ＥＩＴ検出部１０１２からの信号に基づいて、高周波発生部１００８に、高周波信号を発生する信号を入力する。
なお、制御部１０２０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１０２０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１０２４は、高周波発生部１００８に信号を入力し、高周波発生部１００８から面発光レーザー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１００２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１０２２は、中心波長可変部１００６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１０１０は、光Ｌの中心波長をスイープしたときに、光検出部１００４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１０１０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１０１０が吸収の底を検出すると、中心波長制御部１０２２は、中心波長可変部１００６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１０２２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、高周波制御部１０２４は、高周波発生部１００８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１０１２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１０１２は、光検出部１００４が出力した検出信号を同期検波し、高周波制御部１０２４は、ＥＩＴ検出部１０１２から入力される信号に基づいて、高周波発生部１００８が発生する高周波信号の周波数を、ガスセル１００２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１０１０は、光検出部１００４が出力した検出信号を同期検波し、中心波長制御部１０２２は、吸収検出部１０１０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１００４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１００６を制御する。
原子発振器１０００は、面発光レーザー１００を含むため、光源として、偏光方向の安定したレーザー光を射出可能な面発光レーザーを用いることができる。そのため、例えば、λ／４板を介して、ガスセル１００２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。
なお、上述した実施形態及び変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば各実施形態及び各変形例は、適宜組み合わせることが可能である。
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、方法およ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、４…第１歪付与部、４ａ…第１部分、４ｂ…第２部分、６…共振部、８…第２歪付与部、９…溝、１０…基板、１０ａ…第１領域、１０ｂ…第２領域、２０…第１ミラー層、２０ａ…第１部分、２０ｂ…第２部分、２０ｃ…第３部分、２０ｄ…第４部分、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、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、２００…面発光レーザー、３００…面発光レーザー、４００…面発光レーザー、５００…面発光レーザー、６００…面発光レーザー、７００…面発光レーザー、７１０…導熱部、１０００…原子発振器、１００２…ガスセル
、１００４…光検出部、１００６…中心波長可変部、１００８…高周波発生部、１０１０…吸収検出部、１０１２…ＥＩＴ検出部、１０２０…制御部、１０２２…中心波長制御部、１０２４…高周波制御部

Claims (9)

  1. 基板と、
    活性層で発生する光を共振させる共振部、および前記共振部に接続され前記活性層に歪みを付与する第１歪付与部を有し、前記基板に設けられている積層体と、
    前記基板に設けられ、前記活性層に歪みを付与する第２歪付与部と、
    を含み、
    前記積層体は、前記活性層と、前記活性層を挟む第１ミラー層および第２ミラー層と、を有し、
    前記第１ミラー層と前記活性層との積層方向から見て、前記第１歪付与部は、前記共振部から互いに反対方向に突出する第１部分および第２部分を有し、
    前記積層方向から見て、前記第２歪付与部の長手方向と前記第１歪付与部の長手方向とは同じ方向であり、
    前記基板の線膨張係数に対する前記第２歪付与部の線膨張係数の大小関係は、前記基板の線膨張係数に対する前記第１歪付与部の線膨張係数の大小関係と同じである、ことを特徴とする面発光レーザー。
  2. 前記第２歪付与部は、前記積層体と離間している、ことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザー。
  3. 前記第２歪付与部は、複数設けられている、ことを特徴とする請求項１または２に記載の面発光レーザー。
  4. 前記積層方向から見て、複数の前記第２歪付与部は、前記第１歪付与部の長手方向に直交する方向に配列されている、ことを特徴とする請求項３に記載の面発光レーザー。
  5. 前記積層方向から見て、前記共振部の中心を通り、かつ、前記第１歪付与部の長手方向に延びる仮想直線を境にして、前記基板を第１領域と第２領域に分けた場合に、
    複数の前記第２歪付与部のうちの一部の前記第２歪付与部は、前記第１領域に位置し、
    複数の前記第２歪付与部のうちの他の一部の前記第２歪付与部は、前記第２領域に位置している、ことを特徴とする請求項３または４に記載の面発光レーザー。
  6. 前記第１領域に位置している前記第２歪付与部の数と前記第２領域に位置している前記第２歪付与部の数とは、等しい、ことを特徴とする請求項５に記載の面発光レーザー。
  7. 前記積層方向から見て、前記第１歪付与部の長手方向と直交する方向において前記第２歪付与部と前記基板の端部との間の距離は、前記第２歪付与部と前記積層体との間の距離よりも小さい、ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の面発光レーザー。
  8. 前記積層方向において、前記第２歪付与部の大きさは、前記共振部の大きさよりも大きい、ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の面発光レーザー。
  9. 請求項１ないし８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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