JP2018078134A - 面発光レーザ素子、原子発振器 - Google Patents

Abstract

【課題】発振波長に対する歩留まりを向上可能な面発光レーザ素子を提供する。【解決手段】面発光レーザ素子の上部ブラッグ反射鏡は、基板側から第１の上部ブラッグ反射鏡、波長調整領域となる第２の上部ブラッグ反射鏡で形成されており、第２の上部ブラッグ反射鏡の各層の光学的膜厚Ｄｐが式（１）又は式（２）を満たす。但し、式（１）及び式（２）において、λは面発光レーザ素子の発振波長、ｍは５＋０．５（ｐ−１）を満たす値（ｐ：自然数）である。【選択図】図６

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、２次元的に集積化しやすい等の特徴を有している。

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（例えば、特許文献１参照）。共振器領域は、発振波長λの光を得るために、共振器領域において波長λの光が共振する所定の光学的膜厚で形成されている。

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すること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膜厚がλ／４となるように形成されている。

面発光レーザは、有機金属気相成長（ＭＯＣＶＤ：Metal Organic Chemical Vapor Deposition）法や、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）法等を用いて作製することができる。

しかしながら、面発光レーザの製造工程において、ＭＯＣＶＤ法やＭＢＥ法等の結晶成長方法で作製される結晶は、基板ウェハ面内で、部分的な原料ガスの流速や温度の違い等により成長速度が異なり、基板ウェハ面内で膜厚の分布が発生する。

面発光レーザの共振波長は膜厚分布により決定されるため、ピンポイントの発振波長が要求される面発光レーザでは、基板ウェハ面内で膜厚の分布が発生すると、一枚の基板ウェハからの取れ数が少なくなり、発振波長に対する歩留まりが低下する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、発振波長に対する歩留まりを向上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、基板の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の上に形成された活性層を含む共振器と、前記共振器の上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、を含み、前記上部ブラッグ反射鏡は、基板側から第１の上部ブラッグ反射鏡、波長調整領域となる第２の上部ブラッグ反射鏡で形成されており、前記第２の上部ブラッグ反射鏡の各層の光学的膜厚Ｄｐが式（１）又は式（２）を満たすことを要件とする。

但し、式（１）及び式（２）において、λは面発光レーザ素子の発振波長、ｍは５＋０．５（ｐ−１）を満たす値（ｐ：自然数）である。

開示の技術によれば、発振波長に対する歩留まりを向上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の実施の形態においてウェハ面内での共振波長の分布を変更する概念を示す図である。 第１の実施の形態において調整可能な波長範囲を説明する図である。 第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子の製造方法を説明する図である。 第２の上部ＤＢＲの各層の光学的膜厚の調整可能な範囲を例示する図である。 第２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２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２の実施の形態に係る波長調整領域の層構造と、定在波の縦モードの概略図である。 第２の実施の形態においてウェハ面内での共振波長の分布を変更する概念を示す図である。 第２の実施の形態において調整可能な波長範囲を説明する図である。 第３の実施の形態に係る波長調整領域の層構造と、定在波の縦モードの概略図である。 第３の実施の形態において調整可能な波長範囲を説明する図である。 第４の実施の形態においてウェハ面内での共振波長の分布を変更する概念を示す図である。 第６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。なお、図１は本実施の形態の説明のため簡略化されており、便宜上コンタクト層等の記載は省略されている。

図１及び図２に示すように、面発光レーザ素子１０は、１つの面発光レーザ１１を備えている。面発光レーザ１１は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Ｌ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面発光レーザ１１は電極パッド１２に接続されている。面発光レーザ１１より出射されるレーザ光の波長（発振波長）はλである。

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る。具体的には、下部ＤＢＲ１０２は、例えば、ｎ−Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ高屈折率層とｎ−ＡｌＡｓ低屈折率層とを各々の層の光学的膜厚がλ／４となるように３３．５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、ＡｌＧａＩｎＰからなる下部スペーサ層１０３を介し、ＧａＩｎＡｓ量子井戸層／ＡｌＧａＡｓ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、ＡｌＧａＩｎＰ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波長の光学的膜厚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１の上部ブラッグ反射鏡１０６（以下、第１の上部ＤＢＲ１０６とする）、第２の上部ブラッグ反射鏡１０７（以下、第２の上部ＤＢＲ１０７とする）を含むものである。

第１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る。具体的には、第１の上部ＤＢＲ１０６は、例えば、ｐ−Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ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膜厚が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１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により形成されている。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１の上部ＤＢＲ１０６上には、第２の上部ＤＢＲ１０７が形成されている。第２の上部ＤＢＲ１０７は、例えば、ｐ−Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ高屈折率層とｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学的膜厚がλ／４とは異なる値となるように１８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ＤＢＲ１０７を構成する各々の層の光学的膜厚をλ／４とは異なる値とする技術的意義については、後述する。

第２の上部ＤＢＲ１０７上には、コンタクト層１０９が形成されている。コンタクト層１０９は、例えば、ｐ−ＧａＡｓから形成することができる。

コンタクト層１０９上には、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、電極パッド１２と接続されている。また、基板１０１の裏面にはｎ側電極となる下部電極１１２が形成されている。

ここで、第２の上部ＤＢＲ１０７を構成する各々の層の光学的膜厚をλ／４とは異なる値とする技術的意義について説明する。

面発光レーザ素子１０において、結晶成長時のウェハ面内での膜厚分布で決定される共振波長が、所望の共振波長から外れていたり、所望の共振波長を達成する領域が少なかったりする場合がある。このような場合には、所望の共振波長を有するウェハ面内領域を拡大することが、歩留まり向上の点から好ましい。

そこで、面発光レーザ素子１０では、第２の上部ＤＢＲ１０７を構成する各々の層の光学的膜厚をλ／４とは異なる値に変更することにより、所望の共振波長を有するウェハ面内領域を拡大している。すなわち、面発光レーザ素子１０では、第２の上部ＤＢＲ１０７が波長調整領域となる。

図３は、第１の実施の形態においてウェハ面内での共振波長の分布を変更する概念を示す図である。図３において、横軸のｒはウェハ面内の所定の半径方向を示し、縦軸のλは波長を示している。ウェハ面内での共振波長の分布Ｄ_１が、所望の波長範囲Ｒから外れている場合に、第２の上部ＤＢＲ１０７を構成する各々の層の光学的膜厚Ｄｐをλ／４とは異なる値に変更することで、ウェハ面内での共振波長の分布Ｄ_２に変更することができる。これにより、所望の共振波長を有するウェハ面内領域Ｅを拡大することができる。

例えば、第１の上部ＤＢＲ１０６まで結晶成長後の共振Ｄｉｐ波長λ_ｄｉｐが、所望の発振波長λに対して短波長であった場合、第２の上部ＤＢＲ１０７を構成する各々の層の光学的膜厚Ｄｐをλ／４よりも厚くすることで、所望の共振波長を有するウェハ面内領域Ｅを拡大することができる。

又、第１の上部ＤＢＲ１０６まで結晶成長後の共振Ｄｉｐ波長λ_ｄｉｐが、所望の発振波長λに対して長波長であった場合、第２の上部ＤＢＲ１０７を構成する各々の層の光学的膜厚Ｄｐをλ／４より薄くすることで、所望の共振波長を有するウェハ面内領域Ｅを拡大することができる。

但し、光学的膜厚Ｄｐを大きく変更すると、面発光レーザ１１の発振しきい値電流値が大きく変化し、設計値に対するレーザ特性に大きな変化を与えるため、光学的膜厚Ｄｐを変更する範囲を規定する必要がある。これに関して、図４を参照して説明する。

図４は、第１の実施の形態において調整可能な波長範囲を説明する図であり、共振Ｄｉｐ波長λ_ｄｉｐと所望の発振波長λとの差である調整波長Δλと発振しきい値電流Ｉｔｈの光学的膜厚Ｄｐ依存性を例示している。図４において、三角は発振しきい値電流Ｉｔｈ、黒丸は調整波長Δλである。

図４に示すように、縦の２本の２点鎖線で示す０．２４７λ＜光学的膜厚Ｄｐ＜０．２５５λの間では、発振しきい電流Ｉｔｈの変化量は約０．１ｍＡ程度であり、この電流値に対する波長シフト量は０．０５ｎｍ程度と見積もられる。

すなわち、０．２４７λ＜光学的膜厚Ｄｐ＜０．２５５λの間では、光学的膜厚Ｄｐの変更による発振波長λの変化に対して、電流による波長シフトの影響は十分に小さく、発振波長に大きく影響しない。

そのため、０．２４７λ＜光学的膜厚Ｄｐ＜０．２５５λの間ならば、設計値に対するレーザ特性に大きな変化を与えずに、±０．７５ｎｍで共振波長を調整することが可能である。

すなわち、第１の上部ＤＢＲ１０６における高屈折率層と低屈折率層とのペア数が６の場合は、０．２４７λ＜光学的膜厚Ｄｐ＜０．２５λ、又は、０．２５λ＜光学的膜厚Ｄｐ＜０．２５５λを満たすように光学的膜厚Ｄｐを調整することで、特性に大きな影響を与えることなく所望の発振波長λを得ることができる。

（面発光レーザ素子の製造方法）
次に、波長調整工程（波長調整領域の各層の光学的膜厚を調整する工程）を含めた、面発光レーザ素子１０の製造方法について説明する。

まず、図５のステップＳ１００に示すように、基板１０１上に波長調整領域（第２の上部ＤＢＲ１０７）の下層までを積層する。具体的には、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１の上部ＤＢＲ１０６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）法で行うことができる。又、分子線エピタキシャル成長（ＭＢＥ）法等を用いて行ってもよい。

次に、図５のステップＳ１１０に示すように、ウェハ面内の反射分光測定を行い、所望の波長と共振波長とのずれを算出する。そして、図５のステップＳ１２０に示すように、波長調整領域である第２の上部ＤＢＲ１０７の膜厚を決定し、第２の上部ＤＢＲ１０７及びコンタクト層１０９の再結晶成長を行う。

具体的には、第１の上部ＤＢＲ１０６まで結晶成長後の共振Ｄｉｐ波長λ_ｄｉｐが、所望の発振波長λに対して短波長であった場合、第２の上部ＤＢＲ１０７の光学的膜厚をλ／４から厚くするように、再結晶成長時の成長時間にフィードバックする。

一方、第１の上部ＤＢＲ１０６まで結晶成長後の共振Ｄｉｐ波長λ_ｄｉｐが、所望の発振波長λに対して長波長であった場合、第２の上部ＤＢＲ１０７の光学的膜厚をλ／４より薄くなるように、再結晶成長時の成長時間にフィードバックする。

例えば、図４に示した調整波長Δλと、第２の上部ＤＢＲ１０７を構成する各々の層の光学的膜厚Ｄｐとの関係に基づいて、０．２４７λ＜光学的膜厚Ｄｐ＜０．２５λ、又は、０．２５λ＜光学的膜厚Ｄｐ＜０．２５５λの範囲内で光学的膜厚Ｄｐを決定することができる。

次に、図５のステップＳ１３０に示すように、波長調整領域の作製以降の工程を実行する。具体的には、第２の上部ＤＢＲ１０７を形成した後、面発光レーザ１１となる領域の周囲の半導体層を、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、面発光レーザ１１のメサ構造の外側に、ＳｉＮ等からなる保護膜１７０を形成する。そして、コンタクト層１０９上の保護膜１７０を除去し、コンタクト層１０９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側電極となる下部電極１１２を形成する。以上の工程により、面発光レーザ素子１０が完成する。

以上は、第１の上部ＤＢＲ１０６を高屈折率層と低屈折率層とを各々の層の光学的膜厚がλ／４となるように６ペア積層した場合に、第２の上部ＤＢＲ１０７を構成する各々の層の光学的膜厚Ｄｐを調整して所望の発振波長λを得る例である。しかしながら、第１の上部ＤＢＲ１０６における高屈折率層と低屈折率層とのペア数は６とは限らないため、第１の上部ＤＢＲ１０６における高屈折率層と低屈折率層とのペア数を一般化した場合について以下に述べる。

第１の上部ＤＢＲ１０６における高屈折率層と低屈折率層とのペア数がｍの場合については、第２の上部ＤＢＲ１０７を構成する各々の層の光学的膜厚Ｄｐを、下記の式（１）又は式（２）の範囲内で調整することにより、所望の発振波長λが得られる。なお、式（１）及び式（２）は、発振しきい電流値の変化量が０．１ｍＡ以下となる第２の上部ＤＢＲ１０７を構成する各々の層の光学的膜厚Ｄｐの範囲を、第１の上部ＤＢＲ１０６のペア数を変数ｍとして求めたものである。

但し、式（１）及び式（２）において、λは面発光レーザ素子の発振波長、ｍは５＋０．５（ｐ−１）を満たす値（ｐ：自然数）である。ここで、ｍが整数でない場合（ｍ＝５．５、６．５、・・・）を含むのは、高屈折率層の数と低屈折率層の数が異なる場合があるからである。

式（１）及び式（２）に示すように、第１の上部ＤＢＲ１０６と第２の上部ＤＢＲ１０７を５ペアより上の任意の位置に動かしても、変数ｍを第１の上部ＤＢＲ１０６のペア数として、波長調整できる第２の上部ＤＢＲ１０７の各層の光学的膜厚Ｄｐを記述することができる。

図６は、第２の上部ＤＢＲ１０７の各層の光学的膜厚の調整可能な範囲を示している。図６において、縦軸は第２の上部ＤＢＲ１０７の各層の光学的膜厚Ｄｐ、横軸は第１の上部ＤＢＲ１０６と第２の上部ＤＢＲ１０７の界面の上部ＤＢＲ１６０内での位置（第１の上部ＤＢＲ１０６のペア数ｍ）である。

図６に示すように、第１の上部ＤＢＲ１０６と第２の上部ＤＢＲ１０７の境界をどこにおくかによって制限する膜厚の範囲が変化する。基板１０１側（共振器領域）に近い方が少ない膜厚の変化量で大きく波長を動かすことができる。但し、大きく波長を調整しようとして、各層の光学的膜厚をλ／４からずらせばずらすほど、特性が低下（しきい電流値の増大）する。式（１）又は式（２）を満たす膜厚範囲（すなわち、図６において破線で示す調整可能な膜厚範囲）では、図４と同様に特性を大きく低下させずに、波長調整が可能である。図６の場合、特性を大きく低下させずに、±０．７５ｎｍの範囲で共振波長を調整することができる。

なお、式（１）及び式（２）において、ｍ＝５（５ペア）以上しか対象としていない理由は以下の通りである。本発明の目的は、面発光レーザ素子を作製する際の結晶成長の段階で、第１の上部ＤＢＲ１０６まで一度成長させて、共振Ｄｉｐ波長λ_ｄｉｐのずれを算出し、算出したずれを修正するように波長調整層の光学的膜厚を調整することである。この際、第１の上部ＤＢＲ１０６が５ペア程度は積層されていないと、第１の上部ＤＢＲ１０６として寄与が小さくなってしまう。そこで、式（１）及び式（２）において、ｍ＝５（５ペア）以上に限定している。

このように、第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子１０では、第１の上部ＤＢＲ１０６上に第２の上部ＤＢＲ１０７を設け、所望の発振波長λが得られるように、第２の上部ＤＢＲ１０７を構成する各々の層の光学的膜厚Ｄｐを、式（１）又は式（２）の範囲内で調整している。

これにより、結晶成長時にウェハ面内での膜厚変動が生じ、所望の発振波長λと共振波長とがずれた場合であっても、所望の発振波長λに調整することができる。その結果、面発光レーザ素子の発振波長λに対する歩留まりが向上し（すなわち、ウェハ面内で所望の発振波長λを達成できる領域を最大化することが可能となり）、面発光レーザ素子１０の低コスト化を実現できる。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、第１の実施の形態とは異なる方法により、発振波長λを調整する例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

（面発光レーザ素子の概要）
図７は、第２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８は、第２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７のＢ−Ｂ線に沿う断面を示している。なお、図７は本実施の形態の説明のため簡略化されており、便宜上コンタクト層等の記載は省略されている。

図７及び図８に示すように、面発光レーザ素子２０は、１つの面発光レーザ２１を備えている。面発光レーザ２１は電極パッド２２に接続されている。面発光レーザ２１より出射されるレーザ光の波長（発振波長）はλである。

面発光レーザ素子２０は、第１の上部ＤＢＲ１０６上に、波長調整領域１５０を介して、第２の上部ＤＢＲ１０７が形成されている点が、面発光レーザ素子１０（図２等参照）と相違する。又、面発光レーザ素子２０では、第２の上部ＤＢＲ１０７は波長調整領域ではなく、第２の上部ＤＢＲ１０７は、例えば、ｐ−Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ高屈折率層とｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学的膜厚がλ／４となるように１８ペア積層されて形成されている。

図９は、第２の実施の形態に係る波長調整領域の層構造と、定在波の縦モードの概略図である。

図９に示すように、波長調整領域１５０は、第１の上部ＤＢＲ１０６側から、第１の位相調整層１５１、波長調整層１５３、及び第２の位相調整層１５２が積層されて構成されている。又、波長調整層１５３は、第１の位相調整層１５１側から、第１の調整層１５３ａ、第２の調整層１５３ｂ、及び第３の調整層１５３ｃが積層されて構成されている。

面発光レーザ素子２０では、一例として、第１の位相調整層１５１と第２の位相調整層１５２は、ｐ−Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ高屈折率層で形成されている。第１の位相調整層１５１と第２の位相調整層１５２は、ＡｌＧａＡｓ以外の半導体材料で形成してもよい。

第２の上部ＤＢＲ１０７において、第２の位相調整層１５２に接する層はｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層である。つまり、第２の位相調整層１５２は、第２の位相調整層１５２に接する第２の上部ＤＢＲ１０７の最下層の材料よりも高い屈折率の材料により形成されている。

波長調整層１５３は、屈折率の異なる半導体材料膜が交互に３層積層された形態であり、基板１０１側から、第１の調整層１５３ａ、第２の調整層１５３ｂ、第３の調整層１５３ｃである。但し、後述のように、結晶成長時の波長によっては、面発光レーザ素子２０が波長調整層１５３を有していない場合もあり得る。

第１の調整層１５３ａ及び第３の調整層１５３ｃは、一例として、ＧａＩｎＰで形成されており、第２の調整層１５３ｂは、一例として、ＧａＡｓＰで形成されている。なお、第１の調整層１５３ａ及び第３の調整層１５３ｃと第２の調整層１５３ｂとを形成している材料は、この逆であってもよい。又、第１の調整層１５３ａ及び第３の調整層１５３ｃと第２の調整層１５３ｂは、他の半導体材料で形成してもよい。

波長調整領域１５０の膜厚は３λ／４であり、第１の上部ＤＢＲ１０６と波長調整領域１５０との界面の定在波は節になっており、波長調整層１５３の中心付近も節になっている。

本実施の形態では、所望の発振波長を達成するために、波長調整層１５３の層数を１層ずつ変えることにより１ｎｍずつ共振波長を変えられるように設計されており、波長調整層１５３の層数を変えることにより３ｎｍ共振波長を調整することができる。

具体的には、結晶成長時に所望の共振波長のウェハ面内領域では、波長調整領域１５０は、第１の位相調整層１５１、第１の調整層１５３ａ、第２の調整層１５３ｂ、第３の調整層１５３ｃ、及び第２の位相調整層１５２からなり、所望の波長の光が出射される。

結晶成長時に所望の波長から１ｎｍ長波長の共振波長のウェハ面内領域では、波長調整領域１５０は、第１の位相調整層１５１、第１の調整層１５３ａ、第２の調整層１５３ｂ、及び第２の位相調整層１５２からなり、所望の波長の光が出射される。

結晶成長時に所望の波長から２ｎｍ長波長の共振波長のウェハ面内領域では、波長調整領域１５０は、第１の位相調整層１５１、第１の調整層１５３ａ、及び第２の位相調整層１５２からなり、所望の波長の光が出射される。

結晶成長時に所望の波長から３ｎｍ長波長の共振波長のウェハ面内領域では、波長調整領域１５０は、第１の位相調整層１５１及び第２の位相調整層１５２からなり、所望の波長の光が出射される。

このようにして、波長調整層１５３の層数を変えることにより、３ｎｍ分のウェハ面内膜厚分布を打ち消し、所望の波長に近い共振Ｄｉｐ波長を有するウェハ面内領域を拡大することができる。

なお、本実施の形態では、波長調整層１５３が３層の調整層を有しているが、これには限定されず、調整層の数は３層より多くても少なくても良い。又、本実施の形態では、波長調整層１５３において、調整層１層あたり１ｎｍずつ波長調整できるように膜厚が設計されているが、調整層の膜厚は、これよりも薄くしても厚くしてもよく、要求される波長精度に応じて調整層の膜厚を適宜決定することができる。

本実施の形態では、波長調整層１５３の層数を任意に変更することで、３ｎｍの範囲で波長調整ができるように設計されている。しかし、波長調整層１５３までの結晶成長の段階で、波長調整層１５３の層数で調整できる３ｎｍの波長範囲から所望の波長が外れている場合や、波長調整したとしてもウェハ面内で所望の波長を達成できる領域が少ない場合もあり得る。そのため、以下のように、第２の位相調整層の膜厚を任意に変更することにより、ウェハ面内全体の共振波長を調整可能としている。

この方法では、第２の位相調整層１５２のみの膜厚変更で波長調整ができるため、膜厚の制御がしやすい。又、本来の層構造全体の膜厚設計値からの変化量も少ないため、所望のレーザ特性を得やすい。

図１０は、第２の実施の形態においてウェハ面内での共振波長の分布を変更する概念を示す図である。図１０において、横軸のｒはウェハ面内の所定の半径方向を示し、縦軸のλは波長を示している。図１０に示すように、波長調整層１５３の調整により３ｎｍ分のウェハ面内膜厚分布Ｄ_１を打ち消し均一になったウェハ面内での共振波長の分布Ｄ_２が、所望の波長範囲Ｒから外れている場合に、第２の位相調整層１５２の膜厚を任意に変更することで、ウェハ面内での共振波長の分布Ｄ_３に変更することができる。これにより、所望の共振波長を有するウェハ面内領域Ｅを拡大することができる。

（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１の上部ＤＢＲ１０６、並びに波長調整領域１５０の一部である第１の位相調整層１５１及び波長調整層１５３を積層形成する。

次に、ウェハ面内の反射分光測定を行い、共振Ｄｉｐ波長と所望の波長のずれを算出し、波長調整層１５３において変更する調整層の層数を決定する。

以下に、波長調整領域１５０に、第１の調整層１５３ａ、第２の調整層１５３ｂ、及び第３の調整層１５３ｃが形成されている面発光レーザ２０_１、及び第１の調整層１５３ａ及び第２の調整層１５３ｂが形成されている面発光レーザ２０_２、第１の調整層１５３ａのみが形成されている面発光レーザ２０_３、何れの調整層も形成されていない面発光レーザ２０_４をウェハ面内に形成する場合を例として、それぞれの波長調整領域１５０の形成方法を説明する。又、ここでは、一例として、第１の調整層１５３ａがＧａＩｎＰにより形成され、第２の調整層１５３ｂがＧａＡｓＰにより形成され、第３の調整層１５３ｃがＧａＩｎＰにより形成されているものとする。

まず、面発光レーザ２０_１が形成される領域にレジストパターンを形成する。具体的には、波長調整領域１５０における第３の調整層１５３ｃ上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、面発光レーザ２０_１が形成される領域のみにレジストパターンを形成する。

次に、レジストパターンの形成されていない領域の第３の調整層１５３ｃをウエットエッチングにより除去する。 具体的には、第３の調整層１５３ｃはＧａＩｎＰにより形成されているため、塩酸と水の混合液（以降、第１のエッチング液と称する場合がある）によりウエットエッチングを行う。

これにより、レジストパターンが形成されていない面発光レーザ２０_２、２０_３、及び２０_４が形成される領域において第３の調整層１５３ｃのみを除去し、第２の調整層１５３ｂの表面を露出させることができる。

なお、第１のエッチング液は、第３の調整層１５３ｃを形成しているＧａＩｎＰをエッチングすることはできるが、第２の調整層１５３ｂを形成しているＧａＡｓＰは殆どエッチングすることができない。この後、有機溶剤等によりレジストパターンを除去する。

次に、第３の調整層１５３ｃ及び第２の調整層１５３ｂ上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、面発光レーザ２０_１及び２０_２が形成される領域のみにレジストパターンを形成する。

次に、レジストパターンの形成されていない領域の第２の調整層１５３ｂをウエットエッチングにより除去する。具体的には、第２の調整層１５３ｂは、ＧａＡｓＰにより形成されているため、硫酸と過酸化水素と水の混合液（以降、第２のエッチング液と称する場合がある）によりウエットエッチングを行う。

これにより、レジストパターンが形成されていない面発光レーザ２０_３及び２０_４が形成される領域において第２の調整層１５３ｂのみを除去し、第１の調整層１５３ａの表面を露出させることができる。

なお、第２のエッチング液は、第２の調整層１５３ｂを形成しているＧａＡｓＰをエッチングすることはできるが、第１の調整層１５３ａを形成しているＧａＩｎＰは殆どエッチングすることができない。この後、有機溶剤等によりレジストパターンを除去する。

次に、第３の調整層１５３ｃ、第２の調整層１５３ｂ、及び第１の調整層１５３ａ上にフォトレジストを塗布し、露光装置による露光、現像を行うことにより、面発光レーザ２０_１、２０_２、及び２０_３が形成される領域のみにレジストパターンを形成する。

次に、レジストパターンの形成されていない領域の第１の調整層１５３ａをウエットエッチングにより除去する。 具体的には、第１の調整層１５３ａはＧａＩｎＰにより形成されているため、第１のエッチング液によりウエットエッチングを行う。

これにより、レジストパターンが形成されていない面発光レーザ２０_４の第１の調整層１５３ａのみを除去し、第１の位相調整層１５１の表面を露出させることができる。この後、有機溶剤等によりレジストパターンを除去する。

次に、第２の位相調整層１５２及び第２の上部ＤＢＲ１０７、コンタクト層１０９を再結晶成長する。これにより、本実施の形態に係る面発光レーザにおける波長調整領域１５０及び第２の上部ＤＢＲ１０７を形成することができる。その後、面発光レーザ２０_１〜面発光レーザ２０_４を個片化することにより、共振Ｄｉｐ波長と所望の波長のずれを考慮して波長調整層１５３の層数が調整された複数の面発光レーザ素子２０が形成される。

本実施の形態においては、波長調整層１５３を形成している第１の調整層１５３ａ、第２の調整層１５３ｂ、第３の調整層１５３ｃはＡｌを含んでいないため、エッチング後に酸化等がされにくく、エッチング後もきれいな表面状態を維持することができる。

すなわち、Ａｌは極めて腐食されやすいため、Ａｌを含んだ材料により第１の調整層１５３ａ、第２の調整層１５３ｂ、第３の調整層１５３ｃの何れかを形成した場合、ウエットエッチング等を行った後の表面状態は劣悪なものとなる。そのため、この上に第２の上部ＤＢＲ１０７を形成しても、剥がれてしまう場合や、厚さが不均一となる場合等がある。

しかしながら、面発光レーザ素子２０では、波長調整層１５３はＡｌを含まない材料により形成されているため、Ａｌの腐食等が生じることはなく、このような問題は発生しない。

又、本実施の形態においては、波長調整領域１５０における波長調整層１５３は、ＧａＡｓＰとＧａＩｎＰとを交互に形成したものである。そして、ウエットエッチングを行う際には、相互に一方はエッチングをすることができるが他方はエッチングすることができない２種類のエッチング液を用いてエッチングを行っている。

このような２種類のエッチング液を用いてエッチングを行うことにより、エッチング後の表面は平坦になり、オーバーエッチングされることなく所定の厚さで形成することができる。これにより、特性の安定した面発光レーザ素子２０を得ることができる。

以上の例では、波長調整層１５３を構成する調整層がＧａＡｓＰとＧａＩｎＰとの組み合わせの場合について説明した。しかし、波長調整層１５３を構成する調整層は、Ａｌを含まない材料であって、更にエッチング液が異なり、発振波長よりもバンドギャップエネルギーの大きい他の半導体材料の組み合わせでもよい。

例えば、発振波長が８９４．６ｎｍの場合、このような半導体材料の組み合わせとしては、ＧａＩｎＡｓＰ／ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓ／ＧａＩｎＡｓＰ、ＧａＡｓＰ／ＧａＩｎＡｓＰ等が挙げられる。又、ＧａＡｓＮ／ＧａＩｎＰ、ＧａＩｎＮＡｓ／ＧａＩｎＰ、ＧａＡｓＳｂ／ＧａＩｎＰ等のようにＮ、Ｓｂが添加されていてもよい。

次に、面発光レーザ素子２０における第２の位相調整層１５２の光学的膜厚について詳しく説明する。前述のように、波長調整層１５３の層数を変えることにより、ウェハ面内での膜厚分布を打ち消し、均一な波長を得ることは可能であるが、調整可能な波長範囲は波長調整層１５３の層数に依存し、本実施の形態では３ｎｍまでの膜厚分布である。よって、波長調整層１５３までの結晶成長で、波長調整層１５３で調整できる波長範囲から、所望の波長が外れていたり、調整したとしても、要求仕様を達成するウェハ面内領域が少ない場合がある。

そこで、波長調整層１５３まで形成後、ウェハ面内の反射分光測定を行い、共振Ｄｉｐ波長と所望の波長のずれを算出する。そして、算出したずれを補償するように第２の位相調整層１５２の膜厚を変えることにより、共振波長を所望の波長に調整することができる。

具体的には、波長調整層１５３の調整層の数を調整後の均一な共振Ｄｉｐ波長λ_ｄｉｐが、所望の発振波長λに対して短波長であった場合、第２の位相調整層１５２の膜厚を厚くするように、再結晶成長時の成長時間にフィードバックする。

一方、波長調整層１５３を形成後の均一な共振Ｄｉｐ波長λ_ｄｉｐが、所望の発振波長λに対して長波長であった場合、第２の位相調整層１５２の膜厚を薄くするように、再結晶成長時の成長時間にフィードバックする。

ところで、第２の位相調整層１５２の膜厚を変えることによる波長の調整では、第２の位相調整層１５２の１層分の膜厚だけ変更することにより波長調整できる。そのため、第２の上部ＤＢＲ１０７の各層の光学的膜厚をλ／４から変える場合と比べて、膜厚を変える層数が少なくて済む。これは当初の設計値から得られるレーザ特性からの変動も少ないことを意味し、第２の位相調整層１５２の光学的膜厚を変えることのみで波長調整することは有効である。

図１１は、第２の実施の形態において調整可能な波長範囲を説明する図であり、第１の位相調整層１５１及び第２の位相調整層１５２がｐ−Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ高屈折率層の場合の、共振Ｄｉｐ波長と所望の発振波長λとの差である調整波長Δλと発振しきい値電流Ｉｔｈの第２の位相調整層１５２の光学的膜厚ｄの依存性を例示している。図１１において、三角は発振しきい値電流Ｉｔｈ、黒丸は調整波長Δλである。

図１１に示すように、波長調整層１５３の調整層１層あたりの光学的膜厚ｄ'、波長調整層１５３の層数ｎ（正の整数）、波長調整領域１５０の膜厚Ｄとすると、第２の位相調整層１５２の光学的膜厚ｄは、式（３）で表される範囲（縦の２本の２点鎖線で示す範囲）では、発振しきい電流Ｉｔｈの変化量は約０．１ｍＡ程度であり、この電流値に対する波長シフト量は０．０５ｎｍ程度と見積もられる。

なお、図１１において、横軸は第２の位相調整層１５２の光学的膜厚ｄ（λ）であるが、横軸の『０』は『１／２（Ｄ−ｎｄ'）』を示している。例えば、図１１において、０．０５の部分は、ｄ＝０．０５λ＋１／２（Ｄ−ｎｄ'）を意味している。

第２の位相調整層１５２の光学的膜厚ｄが式（３）で表される範囲では、第２の位相調整層の膜厚ｄの変更による発振波長λの変化に対して、電流による波長シフトの影響は十分に小さく、発振波長に大きく影響しない。

そのため、第２の位相調整層１５２の光学的膜厚ｄが式（３）で表される範囲ならば、設計値に対するレーザ特性に大きな変化を与えずに、±２．４ｎｍで共振波長を調整することが可能である。

このことを一般化するならば、調整可能な第２の位相調整層１５２の光学的膜厚ｄの範囲は、式（４）で表すことができる。式（４）において、Ｎは正の整数であるが、光吸収の影響を受け、発振しきい電流値の増加等の弊害を考慮した場合には、Ｎは小さい方が望ましい。

ところで、波長調整領域１５０を共振器内に形成することも可能である。その場合、共振器に近いことから、波長調整層１５３の膜厚が本実施の形態より薄くても、大きく波長範囲を変えることが可能である。層構造に対して大きな変化を与えずに、発振波長を大きく変える必要がある場合は、波長調整領域１５０を共振器に近づけていくことで、対応可能である。

このように、第２の実施の形態に係る面発光レーザ素子２０では、波長調整層１５３の調整層の数を調整後の均一な共振Ｄｉｐ波長λｄｉｐについて、所望の発振波長λが得られるように、第２の位相調整層１５２の光学的膜厚ｄを式（４）の範囲内で調整する。

これにより、所望の発振波長λと共振波長とがずれた場合であっても、所望の発振波長λに調整することができる。その結果、面発光レーザ素子の発振波長λに対する歩留まりが向上し（すなわち、ウェハ面内で所望の発振波長λを達成できる領域を最大化することが可能となり）、面発光レーザ素子２０の低コスト化を実現できる。

〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、第１の実施の形態とは異なる方法により、発振波長λを調整する他の例を示す。なお、第３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

第３の実施の形態に係る面発光レーザ素子の層構造は、第１の上部ＤＢＲ１０６のペア数、第１の位相調整層１５１及び第２の位相調整層１５２の組成と膜厚、第２の上部ＤＢＲ１０７のペア数以外は、第２の実施の形態に係る面発光レーザ素子２０と同じである。

第３の実施の形態に係る面発光レーザ素子では、第１の上部ＤＢＲ１０６は、ｐ−Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ高屈折率層とｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層がλ／４となるように６．５ペア積層することにより形成されている。又、第１の位相調整層１５１に接する第１の上部ＤＢＲ１０６の層は、ｐ−Ａｌ_０．１６Ｇａ_０．８４Ａｓ高屈折率層となっている。

図１２は、第３の実施の形態に係る波長調整領域の層構造と、定在波の縦モードの概略図である。第３の実施の形態に係る面発光レーザ素子では、第１の上部ＤＢＲ１０６の上には、波長調整領域１５０が形成されている。波長調整領域１５０はｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層からなる第１の位相調整層１５１、第１の調整層１５３ａ、第２の調整層１５３ｂ、第３の調整層１５３ｃ、ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層からなる第２の位相調整層１５２が形成されている。つまり、第２の位相調整層１５２は、第２の位相調整層１５２に接する第２の上部ＤＢＲ１０７の最下層の材料よりも低い屈折率の材料により形成されている。

波長調整領域１５０の膜厚は３λ／４であり、第１の上部ＤＢＲ１０６と波長調整領域１５０との界面の定在波は腹になっており、波長調整層１５３の中心付近は節になっている。なお、第２の実施の形態と同様に、形成されている面発光レーザ素子は、ウェハ面内の膜厚分布を打ち消し、所望の共振波長を得られるように、ウェハ面内の位置ごとに波長調整領域１５０の一部が除去されている。

本実施の形態では、第２の実施の形態と同様に、波長調整層１５３の層数を変更することにより、３ｎｍ分のウェハ面内膜厚分布を打ち消し、所望の発振波長に近い共振Ｄｉｐ波長を有するウェハ面内領域を拡大する。その後、反射分光測定を行い、共振Ｄｉｐ波長と所望の発振波長とのずれを補償するような第２の位相調整層１５２の膜厚を任意に変更する。

本実施の形態でも、第２の実施の形態と同様に、波長調整層１５３の層数を変えることにより拡大された均一な共振Ｄｉｐ波長を有するウェハ面内領域を、第２の位相調整層１５２の膜厚を変えることにより、所望の共振Ｄｉｐ波長を有するウェハ面内領域が最大となるように調整する。

図１３は、第３の実施の形態において調整可能な波長範囲を説明する図であり、第１の位相調整層１５１及び第２の位相調整層１５２がｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層の場合の、共振Ｄｉｐ波長と所望の発振波長λとの差である調整波長Δλと発振しきい値電流Ｉｔｈの第２の位相調整層１５２の光学的膜厚ｄの依存性を例示している。図１３において、三角は発振しきい値電流Ｉｔｈ、黒丸は調整波長Δλである。

図１３に示すように、波長調整層１５３の調整層１層あたりの光学的膜厚ｄ'、波長調整層１５３の層数ｎ（正の整数）、波長調整領域１５０の膜厚Ｄとすると、第２の位相調整層１５２の光学的膜厚ｄは、式（５）で表される範囲（縦の２本の２点鎖線で示す範囲）では、発振しきい電流Ｉｔｈの変化量は約０．１ｍＡ程度であり、この電流値に対する波長シフト量は０．０５ｎｍ程度と見積もられる。

なお、図１３において、横軸は第２の位相調整層１５２の光学的膜厚ｄ（λ）であるが、横軸の『０』は『１／２（Ｄ−ｎｄ'）』を示している。例えば、図１３において、０．０５の部分は、ｄ＝０．０５λ＋１／２（Ｄ−ｎｄ'）を意味している。

第２の位相調整層１５２の光学的膜厚ｄが式（５）で表される範囲では、第２の位相調整層の膜厚ｄの変更による発振波長λの変化に対して、電流による波長シフトの影響は十分に小さく、発振波長に大きく影響しない。

そのため、第２の位相調整層１５２の光学的膜厚ｄが式（５）で表される範囲ならば、設計値に対するレーザ特性に大きな変化を与えずに、±２．２ｎｍで共振波長を調整することが可能である。

このことを一般化するならば、調整可能な第２の位相調整層１５２の光学的膜厚ｄの範囲は、式（６）で表すことができる。式（６）において、Ｎは正の整数であるが、光吸収の影響を受け、発振しきい電流値の増加等の弊害を考慮した場合には、Ｎは小さい方が望ましい。

このように、第３の実施の形態に係る面発光レーザ素子では、波長調整層１５３の調整層の数を調整後の均一な共振Ｄｉｐ波長λｄｉｐについて、所望の発振波長λが得られるように、第２の位相調整層１５２の光学的膜厚ｄを式（６）の範囲内で調整する。

これにより、所望の発振波長λと共振波長とがずれた場合であっても、所望の発振波長λに調整することができる。その結果、面発光レーザ素子の発振波長λに対する歩留まりが向上し（すなわち、ウェハ面内で所望の発振波長λを達成できる領域を最大化することが可能となり）、面発光レーザ素子の低コスト化を実現できる。

〈第４の実施の形態〉
第４の実施の形態では、第１の実施の形態とは異なる方法により、発振波長λを調整する他の例を示す。なお、第４の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

第４の実施の形態に係る面発光レーザ素子の層構造は、第２の上部ＤＢＲ１０７の各層の膜厚以外は、第２の実施の形態と同じである。つまり、第４の実施の形態に係る面発光レーザ素子では、上部ＤＢＲ１６０中に、波長調整領域である第２の上部ＤＢＲ１０７が形成され、更に、波長調整層及び位相調整層を備えた波長調整領域１５０が形成されている。

ウェハ面内の膜厚分布が、波長調整層１５３の層数、及び第２の位相調整層１５２の膜厚の任意の変更により、調整できる波長範囲から外れている場合、第１の実施の形態と同様に、第２の上部ＤＢＲの各層の膜厚を任意に変更することにより、波長調整することができる。

図１４は、第４の実施の形態においてウェハ面内での共振波長の分布を変更する概念を示す図である。図１４において、横軸のｒはウェハ面内の所定の半径方向を示し、縦軸のλは波長を示している。図１４に示すように、波長調整層１５３の調整により３ｎｍ分のウェハ面内膜厚分布Ｄ_１を打ち消し均一になったウェハ面内での共振波長の分布Ｄ_２が、所望の波長範囲Ｒから外れている場合に、第２の位相調整層１５２の膜厚を式（４）の範囲内で任意に変更することで、ウェハ面内での共振波長の分布Ｄ_３に変更することができる（調整範囲：±２．４ｎｍ）。

更に、第２の上部ＤＢＲ１０７を構成する各々の層の光学的膜厚Ｄｐを式（１）又は式（２）の範囲内で調整することで、ウェハ面内での共振波長の分布Ｄ_４に変更することができる（調整範囲：±０．７５ｎｍ）。すなわち、発振しきい値電流を大きく変化させることなく、発振波長を所望の波長に、±３．１５ｎｍの間で調整することができる。

〈第５の実施の形態〉
第５の実施の形態では、第１の実施の形態とは異なる方法により、発振波長λを調整する他の例を示す。なお、第５の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

第５の実施の形態に係る面発光レーザ素子の層構造は、第２の上部ＤＢＲ１０７の各層の膜厚以外は、第３の実施の形態と同じである。つまり、第５の実施の形態に係る面発光レーザ素子では、上部ＤＢＲ１６０中に、波長調整領域である第２の上部ＤＢＲ１０７が形成され、更に、波長調整層及び位相調整層を備えた波長調整領域１５０が形成されている。

ウェハ面内の膜厚分布が、波長調整層１５３の層数、及び第２の位相調整層１５２の膜厚の任意の変更により、調整できる波長範囲から外れている場合、第１の実施の形態と同様に、第２の上部ＤＢＲの各層の膜厚を任意に変更することにより、波長調整することができる。

図１４と同様に、波長調整層１５３の調整により３ｎｍ分のウェハ面内膜厚分布Ｄ_１を打ち消し均一になったウェハ面内での共振波長の分布Ｄ_２が、所望の波長範囲Ｒから外れている場合に、第２の位相調整層１５２の膜厚を式（６）の範囲内で任意に変更することで、ウェハ面内での共振波長の分布Ｄ_３に変更することができる（調整範囲：±２．２ｎｍ）。

更に、第２の上部ＤＢＲ１０７を構成する各々の層の光学的膜厚Ｄｐを式（１）又は式（２）の範囲内で調整することで、ウェハ面内での共振波長の分布Ｄ_４に変更することができる（調整範囲：±０．７５ｎｍ）。すなわち、発振しきい値電流を大きく変化させることなく、発振波長を所望の波長に、±２．９５ｎｍの間で調整することができる。

〈第６の実施の形態〉
第６の実施の形態では、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。なお、第６の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。

図１５は、第６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。図１５に示す原子発振器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。但し、以下の説明では面発光レーザ素子１０を用いる例を説明するが、第１の形態に係る面発光レーザ素子１０に代えて第２〜第５の形態に係る面発光レーザ素子を用いてもよい。

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１６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。具体的には、波長の温度依存性は０．０５ｎｍ／℃程度で調整できる。

図１７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１８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。そこで、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。すなわち、８９３．６ｎｍ〜８９５．６ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。

原子発振器４００では、発振波長に対する歩留まりが高い面発光レーザ素子１０を用いているため、原子発振器４００を低コストで作製し提供することができる。又、第３の実施の形態及び第４の実施の形態における面発光レーザ素子を用いる場合には、より長寿命の原子発振器４００を提供することができる。これは、第３及び第４の実施の形態の面発光レーザ素子ならば、第１の実施の形態の面発光レーザ素子よりも、層構造に与える変化が小さく、かつ細かく波長調整ができるためであり、このことを言い換えれば、所望波長への調整精度が高いため、発振しきい値電流が最も小さく、原子発振器４００としての動作が最も負荷の少ない低消費電力で実現できるためである。

なお、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。

又、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。

活性層の材料組成等は波長に応じて設計することができる。又、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。すなわち、ＣｓのＤ２ラインを利用する場合は８５１．３ｎｍ〜８５３．３ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。又、ＲｂのＤ１ラインを利用する場合は７９４．０ｎｍ〜７９６．０ｎｍの範囲の波長の光源が必要となる。又、ＲｂのＤ２ラインを利用する場合は７７９．２ｎｍ〜７８１．２ｎｍ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６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〜第５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、２０ 面発光レーザ素子
１１、２１ 面発光レーザ
１２、２２ 電極パッド
１０１ 基板
１０２ 下部ＤＢＲ
１０３ 下部スペーサ層
１０４ 活性層
１０５ 上部スペーサ層
１０６ 第１の上部ＤＢＲ
１０７ 第２の上部ＤＢＲ
１０８ 電流狭窄層
１０８ａ 選択酸化領域
１０８ｂ 電流狭窄領域
１０９ コンタクト層
１１１ 上部電極
１１２ 下部電極
１６０ 上部ＤＢＲ
１７０ 保護膜
１５０ 波長調整領域
１５１ 第１の位相調整層
１５２ 第２の位相調整層
１５３ 波長調整層
１５３ａ 第１の調整層
１５３ｂ 第２の調整層
１５３ｃ 第３の調整層
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２００８−５３３５３号公報

Claims (7)

1. 基板の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の上に形成された活性層を含む共振器と、
   前記共振器の上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、を含み、
   前記上部ブラッグ反射鏡は、基板側から第１の上部ブラッグ反射鏡、波長調整領域となる第２の上部ブラッグ反射鏡で形成されており、
   前記第２の上部ブラッグ反射鏡の各層の光学的膜厚Ｄｐが式（１）又は式（２）を満たすことを特徴とする面発光レーザ素子。
   

   

   

   但し、式（１）及び式（２）において、λは面発光レーザ素子の発振波長、ｍは５＋０．５（ｐ−１）を満たす値（ｐ：自然数）である。
2. 前記上部ブラッグ反射鏡中に波長調整層及び位相調整層を備えた第２の波長調整領域が形成されており、
   前記位相調整層は、前記位相調整層に接する前記上部ブラッグ反射鏡の材料よりも高い屈折率の材料により形成され、
   前記位相調整層の光学的膜厚ｄが式（４）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
   

   

   但し、式（４）において、ｄ'は波長調整層の１層あたりの光学的膜厚、ｎは波長調整層の層数（正の整数）、Ｄは波長調整領域の膜厚、Ｎは正の整数である。
3. 前記上部ブラッグ反射鏡中に波長調整層及び位相調整層を備えた第２の波長調整領域が形成されており、
   前記位相調整層は、前記位相調整層に接する前記上部ブラッグ反射鏡の材料よりも低い屈折率の材料により形成され、
   前記位相調整層の光学的膜厚ｄが式（６）を満たすことを特徴とする請求項１に記載の面発光レーザ素子。
   

   

   但し、式（６）において、ｄ'は波長調整層の１層あたりの光学的膜厚、ｎは波長調整層の層数（正の整数）、Ｄは波長調整領域の膜厚、Ｎは正の整数である。
4. 基板の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の上に形成された活性層を含む共振器と、
   前記共振器の上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、を含み、
   前記上部ブラッグ反射鏡中に波長調整層及び位相調整層を備えた波長調整領域が形成されており、
   前記位相調整層は、前記位相調整層に接する前記上部ブラッグ反射鏡の材料よりも高い屈折率の材料により形成され、
   前記位相調整層の光学的膜厚ｄが式（４）を満たすことを特徴とする面発光レーザ素子。
   

   

   但し、式（４）において、ｄ'は波長調整層の１層あたりの光学的膜厚、ｎは波長調整層の層数（正の整数）、Ｄは波長調整領域の膜厚、Ｎは正の整数である。
5. 基板の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の上に形成された活性層を含む共振器と、
   前記共振器の上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、を含み、
   前記上部ブラッグ反射鏡中に波長調整層及び位相調整層を備えた波長調整領域が形成されており、
   前記位相調整層は、前記位相調整層に接する前記上部ブラッグ反射鏡の材料よりも低い屈折率の材料により形成され、
   前記位相調整層の光学的膜厚ｄが式（６）を満たすことを特徴とする面発光レーザ素子。
   

   

   但し、式（６）において、ｄ'は波長調整層の１層あたりの光学的膜厚、ｎは波長調整層の層数（正の整数）、Ｄは波長調整領域の膜厚、Ｎは正の整数である。
6. 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から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、
   前記面発光レーザ素子から照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。
7. 前記アルカリ金属は、ルビジウム、又は、セシウムであることを特徴とする請求項６に記載の原子発振器。

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