JP2018073931A

JP2018073931A - Surface emission laser element and atomic oscillator

Info

Publication number: JP2018073931A
Application number: JP2016210485A
Authority: JP
Inventors: 寛本村; Hiroshi Motomura
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2016-10-27
Filing date: 2016-10-27
Publication date: 2018-05-10

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To inhibit increase in electrical resistance caused by a tuning layer for calibrating a wavelength in a surface emission laser element including the tuning layer.SOLUTION: A surface emission laser element has: a lower Bragg reflector formed on a substrate; a resonator including an active layer formed on the lower Bragg reflector; and an upper Bragg reflector formed on the resonator. One or more layers of tuning layers are formed in the upper Bragg reflector or in the lower Bragg reflector or in the resonator. Each tuning layer is composed of two laminated tuning layers formed by materials different from each other; and a thickness of one out of the two tuning layers is set at a thickness capable of producing a tunnel effect.SELECTED DRAWING: Figure 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。 The present invention relates to a surface emitting laser element and an atomic oscillator.

面発光レーザ素子（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。 A surface emitting laser element (VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting LASER) is a semiconductor laser that emits light in a direction perpendicular to the substrate surface, and is lower in price, lower power consumption, and smaller than an edge emitting semiconductor laser. It has features such as high performance and easy integration in two dimensions.

面発光レーザ素子は、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）法等を用いて製造される。例えば、ＭＯＣＶＤを用いてウェハ上に複数の面発光レーザ素子を製造する場合、ガス分布やウェハの加熱分布により、ウェハ上で膜厚が不均一になり、面発光レーザ素子を構成するブラッグ反射鏡や共振器がウェハ上で不均一な光学膜厚になる場合がある。この場合、ウェハ上に形成された各々の面発光レーザ素子の発振波長が不均一になる。 The surface emitting laser element is manufactured using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, or the like. For example, when a plurality of surface emitting laser elements are manufactured on a wafer using MOCVD, the film thickness becomes nonuniform on the wafer due to gas distribution or wafer heating distribution, and the Bragg reflector constituting the surface emitting laser element. Or the resonator may have a non-uniform optical film thickness on the wafer. In this case, the oscillation wavelengths of the surface emitting laser elements formed on the wafer are not uniform.

このような問題を解決するために、半導体基板上に下部ブラッグ反射鏡、活性層を含む共振器、上部ブラッグ反射鏡を形成した面発光レーザ素子において、上部ブラッグ反射鏡又は下部ブラッグ反射鏡内に波長調整層を設け、波長調整層の層数を変えることで、同一チップ内で発振波長を調整可能とする構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。 In order to solve such problems, in a surface emitting laser device in which a lower Bragg reflector, a resonator including an active layer, and an upper Bragg reflector are formed on a semiconductor substrate, the upper Bragg reflector or the lower Bragg reflector There has been proposed a structure capable of adjusting the oscillation wavelength within the same chip by providing a wavelength adjustment layer and changing the number of wavelength adjustment layers (for example, see Patent Document 1).

しかしながら、波長調整層が適切な膜厚で、適切なドーピングがなされていない場合、波長調整層の層数の違いにより、面発光レーザ素子毎に電気抵抗のばらつきを生じる。電気抵抗が大きくなるほど消費電力が増加し、更には、発熱の増加により面発光レーザ素子が短寿命化してしまう。従って、波長調整層に起因する電気抵抗の増大を抑制する必要がある。 However, when the wavelength adjustment layer has an appropriate film thickness and is not appropriately doped, the electric resistance varies among the surface emitting laser elements due to the difference in the number of wavelength adjustment layers. As the electrical resistance increases, the power consumption increases, and furthermore, the surface-emission laser element has a short life due to an increase in heat generation. Therefore, it is necessary to suppress an increase in electrical resistance caused by the wavelength adjustment layer.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、発振波長を調整する波長調整層を備えた面発光レーザ素子において、波長調整層に起因する電気抵抗の増大を抑制することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to suppress an increase in electric resistance caused by a wavelength adjustment layer in a surface emitting laser element including a wavelength adjustment layer for adjusting an oscillation wavelength.

本面発光レーザ素子は、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を含む共振器と、前記共振器上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、を有し、前記上部ブラッグ反射鏡内又は前記下部ブラッグ反射鏡内又は前記共振器内に、１層以上の波長調整層を備え、前記波長調整層は、互いに異なる材料により形成された２つの調整層が積層されてなり、前記２つの調整層のうち一方の調整層の厚さは、トンネル効果を得ることができる厚さとされていることを要件とする。 The surface-emitting laser element includes a lower Bragg reflector formed on a substrate, a resonator including an active layer formed on the lower Bragg reflector, and an upper Bragg reflector formed on the resonator. In the upper Bragg reflector, the lower Bragg reflector, or the resonator, one or more wavelength tuning layers are provided, and the wavelength tuning layer is formed of two different materials. The adjustment layer is laminated, and one of the two adjustment layers is required to have a thickness capable of obtaining a tunnel effect.

開示の技術によれば、発振波長を調整する波長調整層を備えた面発光レーザ素子において、波長調整層に起因する電気抵抗の増大を抑制することができる。 According to the disclosed technology, in a surface emitting laser element including a wavelength adjustment layer that adjusts an oscillation wavelength, an increase in electrical resistance due to the wavelength adjustment layer can be suppressed.

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。1 is a plan view illustrating a surface emitting laser element according to a first embodiment. 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。1 is a partial cross-sectional view illustrating a surface emitting laser element according to a first embodiment. 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。It is a structural diagram of the wavelength adjustment region of the surface emitting laser element according to the first embodiment. 第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子の製造工程を例示する図（その１）である。FIG. 6 is a diagram (part 1) illustrating a manufacturing process of the surface emitting laser element according to the first embodiment; 第１の実施の形態に係る面発光レーザ素子の製造工程を例示する図（その２）である。FIG. 6 is a diagram (part 2) illustrating a manufacturing process of the surface emitting laser element according to the first embodiment; 波長調整領域のバンドダイヤグラムを例示する図である。It is a figure which illustrates the band diagram of a wavelength adjustment area | region. 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。It is a fragmentary sectional view which illustrates the surface emitting laser element concerning a 2nd embodiment. 第３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。It is a schematic diagram which illustrates the atomic oscillator which concerns on 3rd Embodiment. ＣＰＴに関連する原子エネルギー準位の説明図である。It is explanatory drawing of the atomic energy level relevant to CPT. 面発光レーザ変調時における出力波長の説明図である。It is explanatory drawing of the output wavelength at the time of surface emitting laser modulation | alteration. 変調周波数と透過光量との相関図である。FIG. 5 is a correlation diagram between a modulation frequency and a transmitted light amount.

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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.

〈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。 <First Embodiment>
(Outline of surface emitting laser element)
FIG. 1 is a plan view illustrating a surface emitting laser element according to the first embodiment. FIG. 2 is a partial cross-sectional view illustrating the surface emitting laser element according to the first embodiment, and shows a cross section taken along the line AA of FIG.

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１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。 As shown in FIGS. 1 and 2, the surface emitting laser element 10 includes a first surface emitting laser 11, a second surface emitting laser 12, a third surface emitting laser 13, and a fourth surface emitting laser 14. Four surface emitting lasers are provided. However, the surface emitting laser element 10 only needs to include one or more surface emitting lasers, and the number of surface emitting lasers is not limited to four.

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。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の発振波長λは、例えば、８９４．６ｎｍとすることができる。 In the surface emitting laser element 10, the first surface emitting laser 11, the second surface emitting laser 12, the third surface emitting laser 13, and the fourth surface emitting laser 14 each have a mesa structure. The shape of the mesa structure viewed from the top of the surface emitting laser element 10 may be a circle, or may be an ellipse, a square, a rectangle, or the like. In the surface emitting laser element 10, laser light is emitted on the side opposite to the substrate 101 (in the direction of the arrow in FIG. 2). The oscillation wavelength λ of the first surface-emitting laser 11, the second surface-emitting laser 12, the third surface-emitting laser 13, and the fourth surface-emitting laser 14 can be, for example, 894.6 nm.

面発光レーザ素子１０は、例えば、約３００μｍ角の基板１０１上に形成されている。基板１０１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。 The surface emitting laser element 10 is formed on a substrate 101 of about 300 μm square, for example. The first surface emitting laser 11, the second surface emitting laser 12, the third surface emitting laser 13, and the fourth surface emitting laser 14 formed on the substrate 101 are electrodes provided corresponding to each of them. It is connected to pads 21-24.

具体的には、第１の面発光レーザ１１には電極パッド２１が、第２の面発光レーザ１２には電極パッド２２が、第３の面発光レーザ１３には電極パッド２３が、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。 Specifically, the first surface-emitting laser 11 has an electrode pad 21, the second surface-emitting laser 12 has an electrode pad 22, the third surface-emitting laser 13 has an electrode pad 23, and a fourth An electrode pad 24 is connected to the surface emitting laser 14.

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。 In the surface emitting laser element 10, a lower Bragg reflector 102 (hereinafter referred to as a lower DBR 102) is formed on a substrate 101. DBR is an abbreviation for Distributed Bragg Reflector.

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膜厚が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。 As the substrate 101, for example, an n-GaAs substrate can be used. The lower DBR 102 is formed by alternately stacking semiconductor materials having different refractive indexes. Specifically, for example, an n-Al _0.1 Ga _0.9 As high-refractive index layer and an n-Al _0.9 Ga layer are used. It can be formed by laminating 35.5 pairs of _0.1 As low refractive index layers so that the optical film thickness of each layer is λ / 4.

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波長の光学膜厚となる共振器１２０が形成されている。 An active layer 104 made of a GaInAs quantum well layer / GaInPAs barrier layer is formed on the lower DBR 102 via a lower spacer layer 103 made of Al _0.2 Ga _0.8 As. An upper spacer layer 105 made of Al _0.2 Ga _0.8 As is formed on the active layer 104. The lower spacer layer 103, the active layer 104, and the upper spacer layer 105 form a resonator 120 having an optical film thickness of one wavelength.

上部スペーサ層１０５上には、上部ブラッグ反射鏡１０６が形成されている。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ｐ−Ａｌ_０．９Ｇａ_０．１Ａｓ低屈折率層とを各々の層の光学膜厚がλ／４となるように５ペア積層することにより形成することができる。 An upper Bragg reflector 106 is formed on the upper spacer layer 105. The upper DBR 106 is formed by alternately stacking semiconductor materials having different refractive indexes. Specifically, for example, a p-Al _0.1 Ga _0.9 As high-refractive index layer and a p-Al _0.9 Ga are used. It can be formed by laminating 5 pairs of _0.1 As low refractive index layers so that the optical film thickness of each layer is λ / 4.

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。 One of the low refractive index layers of the upper DBR 106 is formed by a current confinement layer 108 made of AlAs, and the peripheral portion of the current confinement layer 108 is selectively oxidized to form a selective oxidation region 108a, and the central portion is An unoxidized current confinement region 108b is formed.

上部ＤＢＲ１０６中には、上部ＤＢＲ１０６の高屈折率層を置き換える形で、波長調整層１４０を備えた波長調整領域１６０が設けられている。波長調整領域１６０の詳細については、後述する。 In the upper DBR 106, a wavelength adjustment region 160 including a wavelength adjustment layer 140 is provided so as to replace the high refractive index layer of the upper DBR 106. Details of the wavelength adjustment region 160 will be described later.

上部ＤＢＲ１０６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。 A contact layer 109 is formed on the upper DBR 106. The contact layer 109 can be formed from, for example, p-GaAs.

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。又、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。 On the contact layer 109, an upper electrode 111 serving as a p-side electrode is formed. A lower electrode 112 serving as an n-side electrode (common electrode) is formed on the back surface of the substrate 101.

更に、面発光レーザ素子１０のメサ構造の周囲には、ＳｉＮ等からなる保護膜１７０が形成されている。そして、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。 Further, a protective film 170 made of SiN or the like is formed around the mesa structure of the surface emitting laser element 10. A resin layer 171 made of a resin material such as polyimide is formed on the protective film 170. The protective film 170 is a dielectric film that protects the side surfaces and the bottom surface of the layer containing Al that is easily corroded, which appears in the etching when forming the mesa structure, and contributes to improving the reliability of the surface emitting laser element 10.

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。面発光レーザ素子１０では、上部ブラッグ反射鏡１０６内に、波長調整領域１６０が設けられている。波長調整領域１６０は、活性層１０４に近い側から、第２の位相調整層１３０、波長調整層１４０、第１の位相調整層１５０の順で設けることができる。 FIG. 3 is a structural diagram of the wavelength adjustment region of the surface emitting laser element according to the first embodiment. In the surface emitting laser element 10, a wavelength adjustment region 160 is provided in the upper Bragg reflector 106. The wavelength adjustment region 160 can be provided in the order of the second phase adjustment layer 130, the wavelength adjustment layer 140, and the first phase adjustment layer 150 from the side close to the active layer 104.

但し、波長調整層１４０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、第４の面発光レーザ１４のうち少なくとも１つの面発光レーザにおいて、上部ブラッグ反射鏡１０６内に１層以上設けられていればよい。 However, the wavelength adjustment layer 140 is an upper portion of at least one of the first surface-emitting laser 11, the second surface-emitting laser 12, the third surface-emitting laser 13, and the fourth surface-emitting laser 14. One or more layers may be provided in the Bragg reflector 106.

なお、波長調整領域１６０は、上部ＤＢＲ１０６内ではなく、下部ＤＢＲ１０２内に形成してもよい。 The wavelength adjustment region 160 may be formed not in the upper DBR 106 but in the lower DBR 102.

第２の位相調整層１３０は、例えば、ｐ−Ａｌ_０．１Ｇａ_０．９Ａｓから形成することができる。第１の位相調整層１５０は、例えば、ＧａＩｎＰから形成することができる。第２の位相調整層１３０及び第１の位相調整層１５０は、上部ブラッグ反射鏡１０６の反射率を均一にするために設けられている。 The second phase adjustment layer 130 can be formed from, for example, p-Al _0.1 Ga _0.9 As. The first phase adjustment layer 150 can be formed from, for example, GaInP. The second phase adjustment layer 130 and the first phase adjustment layer 150 are provided to make the reflectance of the upper Bragg reflector 106 uniform.

波長調整層１４０は、互いに異なる材料により形成された２つの調整層１４０ａ及び１４０ｂが積層されてなる。例えば、各々の波長調整層１４０を構成する調整層１４０ａ及び１４０ｂの一方はＧａＩｎＰ層、他方はＧａＡｓＰ層とすることができる。この際、ＧａＩｎＰ層及びＧａＡｓＰ層は、比較的不純物濃度の高いｐ型の層とすることができる。 The wavelength adjustment layer 140 is formed by laminating two adjustment layers 140a and 140b made of different materials. For example, one of the adjustment layers 140a and 140b constituting each wavelength adjustment layer 140 can be a GaInP layer and the other can be a GaAsP layer. At this time, the GaInP layer and the GaAsP layer can be p-type layers having a relatively high impurity concentration.

少なくとも一方の調整層の厚さは、量子力学的なトンネル効果を得ることができる厚さとされている。ここでは、量子力学的なトンネル効果を得ることができる厚さは、５ｎｍ以下である。なお、調整層１４０ａと調整層１４０ｂとは、同一の厚さであっても構わない。 The thickness of at least one of the adjustment layers is set to a thickness capable of obtaining a quantum mechanical tunnel effect. Here, the thickness at which the quantum mechanical tunnel effect can be obtained is 5 nm or less. The adjustment layer 140a and the adjustment layer 140b may have the same thickness.

図３では、一例として、第１の面発光レーザ１１では、第２の位相調整層１３０上に３層の波長調整層１４０が積層されている。又、第２の面発光レーザ１２では、第２の位相調整層１３０上に２層の波長調整層１４０が積層されている。又、第３の面発光レーザ１３では、第２の位相調整層１３０上に１層の波長調整層１４０が積層されている。又、第４の面発光レーザ１４は、波長調整層１４０が設けられていない。 In FIG. 3, as an example, in the first surface emitting laser 11, three wavelength adjustment layers 140 are stacked on the second phase adjustment layer 130. In the second surface emitting laser 12, two wavelength adjustment layers 140 are laminated on the second phase adjustment layer 130. In the third surface emitting laser 13, one wavelength adjustment layer 140 is laminated on the second phase adjustment layer 130. Further, the fourth surface emitting laser 14 is not provided with the wavelength adjustment layer 140.

このように、面発光レーザ素子１０の各々の面発光レーザでは、上部ＤＢＲ１０６内に、最大で３層の波長調整層１４０が設けられている。波長調整層１４０の層数を面発光レーザ毎に変えることにより、波長調整層１４０トータルの光学膜厚を面発光レーザ毎に変えることができる。但し、波長調整層１４０の最大の層数は、４層以上としてもよい。 Thus, in each of the surface emitting lasers of the surface emitting laser element 10, a maximum of three wavelength adjustment layers 140 are provided in the upper DBR 106. By changing the number of wavelength adjusting layers 140 for each surface emitting laser, the total optical film thickness of the wavelength adjusting layer 140 can be changed for each surface emitting laser. However, the maximum number of wavelength adjustment layers 140 may be four or more.

例えば、各々の波長調整層１４０を構成する調整層１４０ａ及び１４０ｂの一方を膜厚５ｎｍのＧａＩｎＰ層、他方を膜厚１０ｎｍのＧａＡｓＰ層とすることで、波長調整層１４０の１層当たり（１５ｎｍ）の発振波長の差を１ｎｍ程度とすることができる。これにより、面発光レーザ毎の発振波長を調整し、面発光レーザ毎の発振波長のばらつきを低減することができる。 For example, one of the adjustment layers 140a and 140b constituting each wavelength adjustment layer 140 is a GaInP layer having a thickness of 5 nm, and the other is a GaAsP layer having a thickness of 10 nm, so that each wavelength adjustment layer 140 has a per layer (15 nm). The difference in oscillation wavelength can be about 1 nm. Thereby, the oscillation wavelength for each surface emitting laser can be adjusted, and variation in the oscillation wavelength for each surface emitting laser can be reduced.

但し、『波長調整層１４０の層数を異ならせて波長調整層１４０のトータルの光学膜厚を変える』には、波長調整層１４０の光学膜厚がゼロの場合（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（図３の例では、面発光レーザ１４）。 However, in order to “change the total optical film thickness of the wavelength adjustment layer 140 by changing the number of layers of the wavelength adjustment layer 140”, the optical film thickness of the wavelength adjustment layer 140 is zero (that is, the wavelength adjustment layer 140 is changed). (When not provided). That is, the plurality of surface emitting lasers may include a surface emitting laser that does not have the wavelength adjustment layer 140 at all (surface emitting laser 14 in the example of FIG. 3).

（面発光レーザ素子の製造方法）
まず、ｎ−ＧａＡｓからなる基板１０１（ウェハ）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、上部ＤＢＲ１０６の一部、第２の位相調整層１３０、及び３層の波長調整層１４０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。 (Method for manufacturing surface-emitting laser element)
First, on a substrate 101 (wafer) made of n-GaAs, a lower DBR 102 made of a semiconductor material, a lower spacer layer 103, an active layer 104, an upper spacer layer 105, a part of the upper DBR 106, a second phase adjustment layer 130, And three wavelength adjustment layers 140 are stacked. In the following, a structure in which a plurality of layers are stacked on the substrate 101 may be referred to as a “stacked body” for convenience. The stacked body can be formed by, for example, a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method. Moreover, you may carry out using a molecular beam epitaxial growth (MBE) method etc.

図４（ａ）は、３層の波長調整層１４０を積層後の状態を示している。図４（ａ）に示す状態で、ウェハ上の共振波長を計測する。 FIG. 4A shows a state after the three wavelength adjustment layers 140 are stacked. In the state shown in FIG. 4A, the resonance wavelength on the wafer is measured.

共振波長を計測した結果、領域Ａは、共振波長が狙い通りの波長でできている領域であったとする。又、領域Ｂは、共振波長が狙いより１ｎｍだけ長波長でできている領域であったとする。又、領域Ｃは、共振波長が狙いより２ｎｍだけ長波長でできている領域であったとする。又、領域Ｄは、共振波長が狙いより３ｎｍだけ長波長でできている領域であったとする。 As a result of measuring the resonance wavelength, it is assumed that the region A is a region where the resonance wavelength is formed at a target wavelength. Further, it is assumed that the region B is a region having a resonance wavelength longer than the target by 1 nm. Further, it is assumed that the region C is a region having a resonance wavelength longer than the target by 2 nm. Further, it is assumed that the region D is a region where the resonance wavelength is longer than the target by 3 nm.

次に、レジストパターニングと選択的なエッチングを繰り返して、ウェハ全体の共振波長が狙いの波長となるように、波長調整層１４０の層数を変える。なお、波長調整層１４０は１層（調整層１４０ａ及び１４０ｂの１ペア）あたり１ｎｍの変化が生じるように設計されている。 Next, resist patterning and selective etching are repeated, and the number of wavelength adjustment layers 140 is changed so that the resonance wavelength of the entire wafer becomes a target wavelength. The wavelength adjustment layer 140 is designed so that a change of 1 nm occurs per layer (one pair of the adjustment layers 140a and 140b).

具体的には、図４（ｂ）に示すように、まず、ウェハ上の領域Ａ（面発光レーザ１１となる領域）を被覆し、領域Ｂ（面発光レーザ１２となる領域）、領域Ｃ（面発光レーザ１３となる領域）、及び領域Ｄ（面発光レーザ１４となる領域）を露出するようにレジスト９００をパターニングする。そして、レジスト９００から露出する最上層の波長調整層１４０を選択的にウェットエッチングして除去する。エッチング後、レジスト９００を除去する。 Specifically, as shown in FIG. 4B, first, a region A (region that becomes the surface emitting laser 11) on the wafer is covered, and a region B (region that becomes the surface emitting laser 12) and region C ( The resist 900 is patterned so as to expose the region that becomes the surface emitting laser 13) and the region D (the region that becomes the surface emitting laser 14). Then, the uppermost wavelength adjustment layer 140 exposed from the resist 900 is selectively removed by wet etching. After the etching, the resist 900 is removed.

次に、図４（ｃ）に示すように、ウェハ上の領域Ａ及び領域Ｂを被覆し、領域Ｃ及び領域Ｄを露出するようにレジスト９１０をパターニングする。そして、レジスト９１０から露出する２層目の波長調整層１４０を選択的にウェットエッチングして除去する。エッチング後、レジスト９１０を除去する。 Next, as shown in FIG. 4C, the resist 910 is patterned so as to cover the region A and the region B on the wafer and expose the region C and the region D. Then, the second wavelength adjustment layer 140 exposed from the resist 910 is selectively removed by wet etching. After the etching, the resist 910 is removed.

次に、図４（ｄ）に示すように、ウェハ上の領域Ａ、領域Ｂ、及び領域Ｃを被覆し、領域Ｄを露出するようにレジスト９２０をパターニングする。そして、レジスト９２０から露出する最下層の波長調整層１４０を選択的にウェットエッチングして除去する。エッチング後、レジスト９２０を除去する。これにより、図４（ｅ）の構造体が作製される。 Next, as shown in FIG. 4D, the resist 920 is patterned so as to cover the region A, the region B, and the region C on the wafer and expose the region D. Then, the lowermost wavelength adjustment layer 140 exposed from the resist 920 is selectively removed by wet etching. After the etching, the resist 920 is removed. Thereby, the structure of FIG. 4E is manufactured.

例えば、各々の波長調整層１４０を構成する調整層１４０ａ及び１４０ｂの一方がＧａＩｎＰ層、他方がＧａＡｓＰ層である場合、図４（ｂ）〜図４（ｄ）におけるウェットエッチングでは、例えば、ＧａＡｓＰのエッチング液には、硫酸、過酸化水素、水の混合液を用いることができ、ＧａＩｎＰのエッチング液には、塩酸、水の混合液を用いることができる。 For example, when one of the adjustment layers 140a and 140b constituting each wavelength adjustment layer 140 is a GaInP layer and the other is a GaAsP layer, the wet etching in FIGS. As the etching solution, a mixed solution of sulfuric acid, hydrogen peroxide, and water can be used, and as the GaInP etching solution, a mixed solution of hydrochloric acid and water can be used.

次に、図５（ａ）に示すように、波長調整層１４０より上部の層、すなわち第１の位相調整層１５０、残りの上部ブラッグ反射鏡１０６、コンタクト層１０９を、ＭＯＣＶＤ法又はＭＢＥ法による再結晶成長により形成する。そして、共振器１２０の深さまで半導体層からなる積層体をエッチングすることによりメサ構造を形成し、その後、電流狭窄層１０８を選択的に酸化して選択酸化領域１０８ａ及び電流狭窄領域１０８ｂを形成する。 Next, as shown in FIG. 5A, the layer above the wavelength adjustment layer 140, that is, the first phase adjustment layer 150, the remaining upper Bragg reflector 106, and the contact layer 109 are formed by MOCVD or MBE. It is formed by recrystallization growth. Then, a mesa structure is formed by etching the stack of semiconductor layers to the depth of the resonator 120, and then the current confinement layer 108 is selectively oxidized to form a selective oxidation region 108a and a current confinement region 108b. .

メサ構造を形成する際のエッチングは、ドライエッチング法を用いることができる。メサ構造は、円形の他に、楕円形や、正方形、長方形の矩形等の任意の形状とすることができる。エッチング工程により側面が露出したＡｌＡｓからなる電流狭窄層１０８を、水蒸気中で熱処理し周辺を酸化させて選択酸化領域１０８ａを形成することによりＡｌ_ｘＯ_ｙからなる絶縁物に変える。これにより、駆動電流の経路を中心部分の酸化されていないＡｌＡｓからなる電流狭窄領域１０８ｂだけに制限することのできる電流狭窄構造を形成することができる。 For the etching for forming the mesa structure, a dry etching method can be used. The mesa structure may be an arbitrary shape such as an ellipse, a square, a rectangle, or the like in addition to a circle. The current confinement layer 108 made of AlAs whose side surfaces are exposed by the etching process is heat-treated in water vapor to oxidize the periphery to form a selective oxidation region 108a, thereby changing to an insulator made of Al _x O _y . Thereby, it is possible to form a current confinement structure capable of limiting the path of the drive current only to the current confinement region 108b made of non-oxidized AlAs in the central portion.

次に、図５（ｂ）に示すように、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。保護膜１７０は、メサ構造を形成する際のエッチングにより露出した腐食されやすいＡｌを含む層の側面や底面を誘電体で保護しているため、信頼性を向上させることができる。 Next, as shown in FIG. 5B, a protective film 170 made of SiN or the like is formed outside the mesa structure of each surface emitting laser and between the mesa structures, and further the mesa structure of each surface emitting laser. The space is filled with a resin material such as polyimide to flatten the resin layer 171. Since the protective film 170 protects the side surface and the bottom surface of the layer containing Al that is easily corroded exposed by etching when the mesa structure is formed, the reliability can be improved.

そして、コンタクト層１０９上の保護膜１７０及び樹脂層１７１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（共通電極）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。 Then, the protective film 170 and the resin layer 171 on the contact layer 109 are removed, and an upper electrode 111 serving as a p-side electrode is formed on the contact layer 109 where contact is made. Then, a lower electrode 112 serving as an n-side electrode (common electrode) is formed on the back surface of the substrate 101. Through the above steps, the surface emitting laser element 10 is completed.

面発光レーザ素子１０において、波長調整層１４０より上側の上部ブラッグ反射鏡１０６が半導体である場合、波長調整層１４０に電気伝導性を持たせるためにドーピングが必要となる。この場合、波長調整層１４０を構成する２つの調整層１４０ａ及び１４０ｂの材料が互いに異なるため、ドーピング効率が大きく異なる。２種の材料とも適切にドーピングされていない場合、２つの調整層１４０ａ及び１４０ｂのうち何れか一方の調整層が高抵抗化し、波長調整層１４０の積層数の違いにより電気抵抗のばらつきを生じることになる。 In the surface-emitting laser element 10, when the upper Bragg reflector 106 above the wavelength adjustment layer 140 is a semiconductor, doping is necessary to make the wavelength adjustment layer 140 have electrical conductivity. In this case, since the materials of the two adjustment layers 140a and 140b constituting the wavelength adjustment layer 140 are different from each other, the doping efficiency is greatly different. If neither of the two materials is appropriately doped, either one of the two adjustment layers 140a and 140b has a high resistance, and the electric resistance varies due to the difference in the number of laminated wavelength adjustment layers 140. become.

面発光レーザ素子１０では、波長調整層１４０を構成する２つの調整層１４０ａ及び１４０ｂはエッチングの選択性に優れたＧａＩｎＰ層とＧａＡｓＰ層との組み合わせとすることができる。図６は、波長調整領域１６０のバンドダイヤグラムを例示する図であり、調整層１４０ａをＧａＩｎＰ層、調整層１４０ｂをＧａＡｓＰ層とした場合のバンドダイヤグラムである。 In the surface emitting laser element 10, the two adjustment layers 140a and 140b constituting the wavelength adjustment layer 140 can be a combination of a GaInP layer and a GaAsP layer excellent in etching selectivity. FIG. 6 is a diagram illustrating a band diagram of the wavelength adjustment region 160, and is a band diagram when the adjustment layer 140a is a GaInP layer and the adjustment layer 140b is a GaAsP layer.

図６において、波長調整層１４０は、バンドギャップの広いＧａＩｎＰ層からなる調整層１４０ａと、バンドギャップの狭いＧａＡｓＰ層からなる調整層１４０ｂとのヘテロ界面からなる超格子構造とみなすことができる。超格子を構成する層の膜厚を薄くしていくことでトンネル確率が増大し、ホールが超格子構造を通り抜けるようになる。例えば、超格子を構成する層の膜厚が５ｎｍ以下では、超格子構造の抵抗率が減少していく。この場合、波長調整層１４０を構成する２つの調整層１４０ａ及び１４０ｂが適切にドーピングされていない場合であっても、トンネル効果により超格子構造の電気抵抗の増大を抑制できる。 In FIG. 6, the wavelength adjustment layer 140 can be regarded as a superlattice structure consisting of a heterointerface between an adjustment layer 140a made of a GaInP layer with a wide band gap and an adjustment layer 140b made of a GaAsP layer with a narrow band gap. By reducing the thickness of the layers constituting the superlattice, the tunnel probability increases and holes pass through the superlattice structure. For example, when the thickness of the layer constituting the superlattice is 5 nm or less, the resistivity of the superlattice structure decreases. In this case, even if the two adjustment layers 140a and 140b constituting the wavelength adjustment layer 140 are not appropriately doped, an increase in the electrical resistance of the superlattice structure can be suppressed by the tunnel effect.

面発光レーザ素子１０では、ＧａＩｎＰ層からなる調整層１４０ａの厚さが、量子力学的なトンネル効果を得ることができる厚さとされている。例えば、ＧａＩｎＰ層からなる調整層１４０ａを５ｎｍ以下の厚さとすることで、量子力学的なトンネル効果により、波長調整層１４０に起因する電気抵抗の増大を抑制できる。 In the surface emitting laser element 10, the thickness of the adjustment layer 140a made of a GaInP layer is set to a thickness that can obtain a quantum mechanical tunnel effect. For example, by setting the adjustment layer 140a made of a GaInP layer to a thickness of 5 nm or less, an increase in electrical resistance due to the wavelength adjustment layer 140 can be suppressed by the quantum mechanical tunnel effect.

つまり、各々の面発光レーザの有する波長調整層１４０の層数に依存する電気抵抗のばらつきを抑制でき、波長調整層１４０の層数に関係なく電気抵抗を低い値にすることが可能となる。これにより、面発光レーザ素子１０の消費電力を低減でき、更には、発熱の増加により面発光レーザ素子１０が短寿命化することを抑制できる。 That is, variation in electric resistance depending on the number of wavelength adjustment layers 140 of each surface emitting laser can be suppressed, and the electric resistance can be lowered regardless of the number of wavelength adjustment layers 140. Thereby, the power consumption of the surface emitting laser element 10 can be reduced, and further, the lifetime of the surface emitting laser element 10 can be suppressed from being shortened due to an increase in heat generation.

又、面発光レーザ素子毎に電気抵抗がばらつくと、面発光レーザ素子を駆動する駆動回路側で補正する必要があり、回路が複雑化し駆動回路のコスト増大の原因となる。面発光レーザ素子１０は、電気抵抗が低い値であり、電気抵抗のばらつきも小さいため、素子毎に駆動回路側で補正する必要がなく、回路を簡略化できるため駆動回路のコスト低減が可能となる。 Further, if the electric resistance varies for each surface emitting laser element, it is necessary to correct it on the side of the driving circuit that drives the surface emitting laser element, which complicates the circuit and increases the cost of the driving circuit. Since the surface emitting laser element 10 has a low electric resistance and a small variation in electric resistance, it is not necessary to correct each element on the driving circuit side, and the circuit can be simplified, so that the cost of the driving circuit can be reduced. Become.

なお、以上の説明では、波長調整層１４０を構成する２つの調整層１４０ａ及び１４０ｂのうち、一方の材料をＧａＩｎＰ、他方の材料をＧａＡｓＰとして説明したが、一方の材料をＧａＩｎＰ、他方の材料をＧａＡｓとしてもよい。 In the above description, one of the two adjustment layers 140a and 140b constituting the wavelength adjustment layer 140 has been described as GaInP and the other as GaAsP. However, one of the materials is GaInP and the other is GaAs may be used.

又、調整層１４０ａと調整層１４０ｂの材料の組み合わせは、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ、ＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ以外に、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓＰ等としてもよい。 Further, the combination of the materials of the adjustment layer 140a and the adjustment layer 140b may be AlGaInP / GaAs, AlGaInP / GaAsP, or the like in addition to GaInP / GaAsP and GaInP / GaAs.

〈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位置に波長調整領域を設ける例を示す。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。 <Second Embodiment>
In the second embodiment, an example in which a wavelength adjustment region is provided at a position different from the first embodiment will be described. In the second embodiment, description of the same components as those of the already described embodiments may be omitted.

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部分断面図であり、図２に相当する断面を示している。 FIG. 7 is a partial cross-sectional view illustrating a surface emitting laser element according to the second embodiment, and shows a cross section corresponding to FIG.

図７に示すように、第２の実施の形態に係る面発光レーザ素子２０は、波長調整領域１６０が共振器１２０の内部に設けられている点が、面発光レーザ素子１０（図２等参照）と相違する。すなわち、面発光レーザ素子２０では、波長調整領域１６０の下側は、上部スペーサ層１０５に隣接し、波長調整領域１６０の上側は上部ブラッグ反射鏡１０６と隣接している。面発光レーザ素子２０において、波長調整領域１６０の層構成は図３と同様である。 As shown in FIG. 7, the surface emitting laser element 20 according to the second embodiment is different from the surface emitting laser element 10 in that the wavelength adjustment region 160 is provided inside the resonator 120 (see FIG. 2 and the like). ) Is different. That is, in the surface emitting laser element 20, the lower side of the wavelength adjustment region 160 is adjacent to the upper spacer layer 105, and the upper side of the wavelength adjustment region 160 is adjacent to the upper Bragg reflector 106. In the surface emitting laser element 20, the layer configuration of the wavelength adjustment region 160 is the same as that in FIG.

面発光レーザ素子２０では、下部スペーサ層１０３、活性層１０４、上部スペーサ層１０５、及び波長調整領域１６０の膜厚を合わせて７波長（７λ）の光学膜厚となる共振器１２０を構成している。このような構成により、波長調整層１４０の１層当たりの膜厚を確保することが容易となる。 In the surface emitting laser element 20, a resonator 120 having an optical film thickness of 7 wavelengths (7λ) is formed by combining the film thicknesses of the lower spacer layer 103, the active layer 104, the upper spacer layer 105, and the wavelength adjustment region 160. Yes. With such a configuration, it becomes easy to ensure the film thickness per layer of the wavelength adjustment layer 140.

面発光レーザ素子２０において、例えば、各々の波長調整層１４０を構成する調整層１４０ａ及び１４０ｂの一方を膜厚３ｎｍのＧａＩｎＰ層、他方を膜厚５ｎｍのＧａＡｓＰ層とすることで、波長調整層１４０の１層当たり（８ｎｍ）の発振波長の差を１ｎｍ程度とすることができる。 In the surface emitting laser element 20, for example, one of the adjustment layers 140a and 140b constituting each wavelength adjustment layer 140 is a GaInP layer having a thickness of 3 nm, and the other is a GaAsP layer having a thickness of 5 nm. The difference in oscillation wavelength per layer (8 nm) can be about 1 nm.

面発光レーザ素子２０のように、波長調整領域１６０を共振器１２０の内部に設けても、面発光レーザ素子１０と同様に、波長調整層１４０に起因する電気抵抗の増大を抑制できる。 Even if the wavelength adjustment region 160 is provided inside the resonator 120 as in the surface emitting laser element 20, similarly to the surface emitting laser element 10, an increase in electrical resistance due to the wavelength adjustment layer 140 can be suppressed.

〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、第１又は第２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。 <Third Embodiment>
In the third embodiment, an example of an atomic oscillator using the surface emitting laser element according to the first or second embodiment will be described. Note that in the third embodiment, description of the same components as those of the already described embodiments may be omitted.

図８は、第３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８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。 FIG. 8 is a schematic view illustrating an atomic oscillator according to the third embodiment. An atomic oscillator 400 illustrated in FIG. 8 is a CPT-type small atomic oscillator, and includes a light source 410, a collimating lens 420, a λ / 4 wavelength plate 430, an alkali metal cell 440, a photodetector 450, and a modulator 460. . The atomic oscillator 400 makes light of two different wavelengths incident on the alkali metal cell 440 out of the light including the sideband emitted from the surface emitting laser, thereby obtaining light absorption characteristics due to the quantum interference effect by two types of resonance light. It is an atomic oscillator that controls the oscillation frequency.

光源４１０には、第１の形態に係る面発光レーザ素子１０又は第２の形態に係る面発光レーザ素子２０を用いることができるが、以下では、面発光レーザ素子１０を用いる場合を例に説明する。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。 As the light source 410, the surface-emitting laser element 10 according to the first embodiment or the surface-emitting laser element 20 according to the second embodiment can be used. In the following description, the surface-emitting laser element 10 is used as an example. To do. The alkali metal cell 440 is filled with Cs (cesium) atomic gas as an alkali metal, and uses the transition of the D1 line. The photodetector 450 uses a photodiode.

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。 In the atomic oscillator 400, the light emitted from the light source 410 is irradiated to the alkali metal cell 440 in which the cesium atom gas is sealed, and the electrons in the cesium atom are excited. The light transmitted through the alkali metal cell 440 is detected by the photodetector 450, and the signal detected by the photodetector 450 is fed back to the modulator 460, and the modulator 460 modulates the surface emitting laser element 10 in the light source 410.

図９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。 FIG. 9 shows the structure of atomic energy levels related to CPT. Utilizing the fact that the light absorptance decreases when electrons are excited from two ground levels to the excited level simultaneously. As the surface-emitting laser constituting the surface-emitting laser element 10, an element having a carrier wavelength close to 894.6 nm is used. The wavelength of the carrier wave can be tuned by changing the temperature or output of the surface emitting laser.

図１０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。 As shown in FIG. 10, by modulating, sidebands are generated on both sides of the carrier, and the frequency difference is modulated at 4.6 GHz so that the frequency difference matches the natural frequency of the Cs atom, 9.2 GHz. .

図１１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。±０．３ｎｍの範囲の波長の光源を用いることが、より望ましい。 As shown in FIG. 11, the laser light passing through the excited Cs gas becomes maximum when the sideband frequency difference matches the natural frequency difference of Cs atoms. Therefore, the modulation frequency of the surface emitting laser element 10 in the light source 410 is adjusted by feedback in the modulator 460 so that the output of the photodetector 450 maintains the maximum value. Since the natural frequency of the atom is extremely stable, the modulation frequency becomes a stable value, and this information is extracted as an output. When the wavelength is 894.6 nm, a light source having a wavelength in the range of ± 1 nm is required. It is more desirable to use a light source with a wavelength in the range of ± 0.3 nm.

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、第１の形態に係る面発光レーザ素子１０又は第２の形態に係る面発光レーザ素子２０では、ウェハ面内で発振波長を揃えることで、８９４．６ｎｍに近い発振波長を得ることができる。これにより、発振波長に関する歩留まりを向上することができ、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。 In general, it is difficult for a surface emitting laser to obtain a uniform oscillation wavelength in the range of ± 1 nm due to variations in film thickness during crystal growth. However, in the surface emitting laser element 10 according to the first embodiment or the surface emitting laser element 20 according to the second embodiment, an oscillation wavelength close to 894.6 nm can be obtained by aligning the oscillation wavelengths in the wafer plane. . As a result, the yield related to the oscillation wavelength can be improved, and the atomic oscillator 400 can be manufactured and provided at low cost.

又、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。 In this embodiment, Cs is used as the alkali metal, and a surface emitting laser having a wavelength of 894.6 nm is used in order to use the transition of the D1 line. However, when the C2 D2 line is used, it is 852.3 nm. A surface emitting laser can be used.

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。 Also, Rb (rubidium) can be used as the alkali metal, and a 795.0 nm surface emitting laser can be used when the D1 line is used, and a 780.2 nm surface emitting laser can be used when the D2 line is used.

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。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。 The material composition of the active layer can be designed according to the wavelength. The modulation frequency when using Rb is modulated at 3.4 GHz for 87Rb and 1.5 GHz for 85Rb. Even at these wavelengths, a light source having a wavelength in the range of ± 1 nm is required.

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。 The preferred embodiment has been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and replacements are made to the above-described embodiment without departing from the scope described in the claims. Can be added.

例えば、第１及び第２の実施の形態では、波長調整層１４０の層数を面発光レーザ毎に変えることにより、面発光レーザ毎の発振波長を調整し、面発光レーザ毎の発振波長のばらつきを低減する例を示した。しかし、例えば、複数の面発光レーザを備えた面発光レーザ素子において、波長調整層１４０の層数を面発光レーザ毎に変えることにより、面発光レーザ毎の発振波長を調整し、所望の波長間隔の面発光レーザを作製することも可能である。 For example, in the first and second embodiments, by changing the number of wavelength adjusting layers 140 for each surface emitting laser, the oscillation wavelength for each surface emitting laser is adjusted, and the oscillation wavelength varies for each surface emitting laser. An example of reducing the above is shown. However, for example, in a surface emitting laser element including a plurality of surface emitting lasers, by changing the number of wavelength adjustment layers 140 for each surface emitting laser, the oscillation wavelength for each surface emitting laser is adjusted, and a desired wavelength interval is obtained. It is also possible to produce a surface emitting laser.

例えば、８９５ｎｍ前後の所望の波長間隔の複数の面発光レーザを備えた面発光レーザ素子を作製し、原子発振器に用いることが考えられる。この場合、面発光レーザ素子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、原子発振器を低コストで作製することができる。 For example, it is conceivable that a surface-emitting laser element including a plurality of surface-emitting lasers having a desired wavelength interval of about 895 nm is manufactured and used for an atomic oscillator. In this case, it is possible to improve the yield with respect to the oscillation wavelength by selecting and operating the surface emitting laser having an oscillation wavelength close to 894.6 nm among the surface emitting lasers having different oscillation wavelengths constituting the surface emitting laser element. As a result, an atomic oscillator can be manufactured at low cost.

又、第３の実施の形態では、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及び第２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素子を用いることにより、同様の効果を得ることができる。 In the third embodiment, the surface emitting laser element is used in an atomic oscillator. However, the surface emitting laser element according to the first and second embodiments has a predetermined wavelength such as a gas sensor. It can be used for other devices that require a large amount of light. In this case, in these apparatuses and the like, the same effect can be obtained by using a surface emitting laser element having a predetermined wavelength according to the application.

１０、２０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
１０９コンタクト層
１１１上部電極
１１２下部電極
１２０共振器
１３０第２の位相調整層
１４０波長調整層
１４０ａ、１４０ｂ調整層
１５０第１の位相調整層
１６０波長調整領域
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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 20 Surface emitting laser element 11 1st surface emitting laser 12 2nd surface emitting laser 13 3rd surface emitting laser 14 4th surface emitting laser 21, 22, 23, 24 Electrode pad 101 Substrate 102 Lower Bragg reflection Mirror 103 Lower spacer layer 104 Active layer 105 Upper spacer layer 106 Upper Bragg reflector 108 Current confinement layer 108a Selective oxidation region 108b Current confinement region 109 Contact layer 111 Upper electrode 112 Lower electrode 120 Resonator 130 Second phase adjustment layer 140 Wavelength Adjustment layer 140a, 140b Adjustment layer 150 First phase adjustment layer 160 Wavelength adjustment region 170 Protective film 171 Resin layer 400 Atomic oscillator 410 Light source 420 Collimator lens 430 λ / 4 wavelength plate 440 Alkali metal cell 450 Photo detector 460 Modulator

特開２０１３−１３８１７６号公報JP 2013-138176 A

Claims

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を含む共振器と、
前記共振器上に形成された上部ブラッグ反射鏡と、を有し、
前記上部ブラッグ反射鏡内又は前記下部ブラッグ反射鏡内又は前記共振器内に、１層以上の波長調整層を備え、
前記波長調整層は、互いに異なる材料により形成された２つの調整層が積層されてなり、
前記２つの調整層のうち一方の調整層の厚さは、トンネル効果を得ることができる厚さとされていることを特徴とする面発光レーザ素子。 A lower Bragg reflector formed on the substrate;
A resonator including an active layer formed on the lower Bragg reflector;
An upper Bragg reflector formed on the resonator,
In the upper Bragg reflector or in the lower Bragg reflector or in the resonator, one or more wavelength adjustment layers are provided,
The wavelength adjustment layer is formed by laminating two adjustment layers made of different materials,
The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the thickness of one of the two adjustment layers is set to a thickness capable of obtaining a tunnel effect.

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を含む共振器と、
前記共振器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又は前記下部ブラッグ反射鏡内又は前記共振器内に、１層以上の波長調整層を備え、
前記波長調整層は、互いに異なる材料により形成された２つの調整層が積層されてなり、
前記２つの調整層のうち一方の調整層の厚さは、トンネル効果を得ることができる厚さとされ、
前記複数の面発光レーザは、前記波長調整層の層数が異なる面発光レーザを含むことを特徴とする面発光レーザ素子。 A surface emitting laser element comprising a plurality of surface emitting lasers,
Each of the surface emitting lasers is
A lower Bragg reflector formed on the substrate;
A resonator including an active layer formed on the lower Bragg reflector;
An upper Bragg reflector formed on the resonator,
At least one surface emitting laser among the plurality of surface emitting lasers includes one or more wavelength adjustment layers in the upper Bragg reflector, the lower Bragg reflector, or the resonator,
The wavelength adjustment layer is formed by laminating two adjustment layers made of different materials,
The thickness of one of the two adjustment layers is a thickness capable of obtaining a tunnel effect,
The surface-emitting laser element, wherein the plurality of surface-emitting lasers include surface-emitting lasers having different numbers of wavelength adjustment layers.

前記一方の調整層の厚さは、５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の面発光レーザ素子。 The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the thickness of the one adjustment layer is 5 nm or less.

前記一方の調整層の材料はＧａＩｎＰであり、他方の調整層の材料はＧａＡｓＰ又はＧａＡｓであ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。 4. The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the material of the one adjustment layer is GaInP, and the material of the other adjustment layer is GaAsP or GaAs. 5.

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。 A surface-emitting laser element according to any one of claims 1 to 4,
An alkali metal cell encapsulating an alkali metal;
A light detector for detecting light transmitted through the alkali metal cell out of the light emitted to the alkali metal cell from the surface emitting laser in the surface emitting laser element;
Of the light including the sideband emitted from the surface emitting laser, the light having two different wavelengths is made incident on the alkali metal cell, so that the oscillation frequency is controlled by the light absorption characteristic due to the quantum interference effect by the two types of resonance light. An atomic oscillator characterized by

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５に記載の原子発振器。 6. The atomic oscillator according to claim 5, wherein the two light beams having different wavelengths are both sideband light beams emitted from the surface emitting laser.

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５又は６に記載の原子発振器。 The atomic oscillator according to claim 5 or 6, wherein the alkali metal is rubidium or cesium.