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JP6834368B2 - Surface emitting laser element, atomic oscillator - Google Patents

Surface emitting laser element, atomic oscillator Download PDF

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JP6834368B2 JP2016217100A JP2016217100A JP6834368B2 JP 6834368 B2 JP6834368 B2 JP 6834368B2 JP 2016217100 A JP2016217100 A JP 2016217100A JP 2016217100 A JP2016217100 A JP 2016217100A JP 6834368 B2 JP6834368 B2 JP 6834368B2
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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 device and an atomic oscillator.

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。 A Vertical Cavity Surface Emitting LASER (VCSEL) is a semiconductor laser that emits light in the direction perpendicular to the substrate surface, and is cheaper, consumes less power, and is smaller than an end face emitting semiconductor laser. It has features such as high performance and easy two-dimensional integration.

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。 The surface emitting laser has a resonator structure including a resonator region including an active layer and an upper reflector and a lower reflector provided above and below the resonator region (see, for example, Patent Document 1). The resonator region is formed with a predetermined optical film thickness at which light having a wavelength λ resonates in the resonator region in order to obtain light having an oscillation wavelength λ.

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。 The upper and lower reflectors are formed by alternately laminating materials having different refractive indexes, that is, low refractive index materials and high refractive index materials, so that high reflectance can be obtained at wavelength λ. , The low refractive index material and the high refractive index material are formed so that the optical film thickness is λ / 4.

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。 The surface emitting laser can be produced by using a metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) method, a molecular beam epitaxy (MBE) method, or the like.

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。 However, in the manufacturing process of the surface emitting laser, the crystals produced by the crystal growth method such as the MOCVD method or the MBE method have different growth rates in the surface of the substrate wafer due to the partial difference in the flow velocity and temperature of the raw material gas. , A film thickness distribution occurs in the surface of the substrate wafer.

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。 Since the resonance wavelength of the surface emitting laser is determined by the film thickness distribution, in the surface emitting laser that requires a pinpoint oscillation wavelength, when the film thickness distribution occurs in the surface of the substrate wafer, it is transmitted from one substrate wafer. The number of wafers that can be obtained is reduced, and the yield with respect to the oscillation wavelength is reduced.

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。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a surface emitting laser element capable of improving the yield with respect to an oscillation wavelength.

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、波長調整領域である第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。 The main 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 formed on the resonator. The upper Bragg reflecting mirror includes a reflecting mirror, and the upper Bragg reflecting mirror is formed by a first upper Bragg reflecting mirror and a second upper Bragg reflecting mirror which is a wavelength adjustment region from the substrate side, and is formed by the second upper Bragg reflecting mirror. It is a requirement that the optical film thickness Dp of each layer of the mirror satisfies the formula (1) or the formula (2).

Figure 0006834368
Figure 0006834368

Figure 0006834368
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。
Figure 0006834368
However, in the equations (1) and (2), λ is the oscillation wavelength of the surface emitting laser element, and m is a value (p: natural number) satisfying 5 + 0.5 (p-1).

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。 According to the disclosed technique, it is possible to provide a surface emitting laser element capable of improving the yield with respect to the oscillation wavelength.

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。It is a top view which illustrates the surface emitting laser element which concerns on 1st 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。It is a partial cross-sectional view which illustrates the surface emitting laser element which concerns on 1st Embodiment. 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。It is a figure which shows the concept which changes the distribution of the resonance wavelength in the wafer plane in 1st Embodiment. 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。It is a figure explaining the adjustable wavelength range in 1st Embodiment. 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。It is a figure explaining the manufacturing method of the surface emitting laser element which concerns on 1st Embodiment. 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。It is a figure which illustrates the adjustable range of the optical film thickness of each layer of the 2nd upper DBR. 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。It is a top view which illustrates the surface emitting laser element which concerns on 2nd Embodiment. 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 partial cross-sectional view which illustrates the surface emitting laser element which concerns on 2nd Embodiment. 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。It is a schematic diagram of the layer structure of the wavelength adjustment region and the vertical mode of a standing wave which concerns on 2nd Embodiment. 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。It is a figure which shows the concept which changes the distribution of the resonance wavelength in the wafer plane in the 2nd Embodiment. 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。It is a figure explaining the adjustable wavelength range in 2nd Embodiment. 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。It is a schematic diagram of the layer structure of the wavelength adjustment region and the vertical mode of a standing wave which concerns on 3rd Embodiment. 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。It is a figure explaining the adjustable wavelength range in 3rd Embodiment. 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。It is a figure which shows the concept which changes the distribution of the resonance wavelength in the wafer plane in 4th Embodiment. 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。It is a schematic diagram which illustrates the atomic oscillator which concerns on 6th 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 related 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 emission laser modulation. 変調周波数と透過光量との相関図である。It is a correlation diagram of 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, modes for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components may be designated by the same reference numerals and duplicate 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。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。
<First Embodiment>
(Outline of surface emitting laser element)
FIG. 1 is a plan view illustrating the 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. Note that FIG. 1 has been simplified for the purpose of explaining the present embodiment, and the description of the contact layer and the like has been omitted for convenience.

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。 As shown in FIGS. 1 and 2, the surface emitting laser element 10 includes one surface emitting laser 11. The surface emitting laser 11 has a mesa structure. The shape of the mesa structure viewed from the upper part of the surface emitting laser element 10 may be circular, oval, square, rectangular, or the like. The surface emitting laser element 10 emits laser light on the opposite side of the substrate 101 (in the direction of arrow L in FIG. 2).

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。 The surface emitting laser element 10 is formed on, for example, a semiconductor chip of about 300 μm square, and the surface emitting laser 11 formed on the semiconductor chip is connected to the electrode pad 12. The wavelength (oscillation wavelength) of the laser light emitted from the surface emitting laser 11 is λ.

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 the 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る。具体的には、下部DBR102は、例えば、n−Al0.16Ga0.84As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。 As the substrate 101, for example, an n-GaAs substrate can be used. The lower DBR 102 is formed by alternately laminating semiconductor materials having different refractive indexes. Specifically, in the lower DBR102, for example, the optical film thickness of each of the n-Al 0.16 Ga 0.84 As high refractive index layer and the n-AlAs low refractive index layer is λ / 4. It can be formed by laminating 33.5 pairs as described above.

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。 On the lower DBR 102, an active layer 104 made of a GaInAs quantum well layer / AlGaAs barrier layer is formed via a lower spacer layer 103 made of AlGaInP. An upper spacer layer 105 made of AlGaInP 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 region 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。 An upper Bragg reflector 160 (hereinafter referred to as an upper DBR 160) is formed on the upper spacer layer 105. The upper DBR 160 includes a first upper Bragg reflector 106 (hereinafter referred to as a first upper DBR 106) and a second upper Bragg reflector 107 (hereinafter referred to as a second upper DBR 107).

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−Al0.16Ga0.84As高屈折率層とn−Al0.9Ga0.1As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。 The first upper DBR 106 is formed by alternately laminating semiconductor materials having different refractive indexes. Specifically, the first upper DBR 106 includes, for example, a p-Al 0.16 Ga 0.84 As high refractive index layer and an n-Al 0.9 Ga 0.1 As low refractive index layer. It can be formed by laminating 6 pairs so that the optical film thickness of the above is λ / 4.

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

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−Al0.16Ga0.84As高屈折率層とp−Al0.9Ga0.1As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。 A second upper DBR 107 is formed on the first upper DBR 106. The second upper DBR 107 includes, for example, a p-Al 0.16 Ga 0.84 As high refractive index layer and a p-Al 0.9 Ga 0.1 As low refractive index layer, respectively. Can be formed by laminating 18 pairs so that the value is different from λ / 4. The technical significance of setting the optical film thickness of each layer constituting the second upper DBR 107 to a value different from λ / 4 will be described later.

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。 A contact layer 109 is formed on the second upper DBR 107. 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。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。 An upper electrode 111 serving as a p-side electrode is formed on the contact layer 109. The upper electrode 111 is connected to the electrode pad 12. Further, a lower electrode 112 serving as an n-side electrode is formed on the back surface of the substrate 101.

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。 Here, the technical significance of setting the optical film thickness of each layer constituting the second upper DBR 107 to a value different from λ / 4 will be described.

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。 In the surface emitting laser element 10, the resonance wavelength determined by the film thickness distribution in the wafer surface during crystal growth may deviate from the desired resonance wavelength, or the region where the desired resonance wavelength is achieved may be small. is there. In such a case, it is preferable to expand the in-plane region of the wafer having a desired resonance wavelength from the viewpoint of improving the yield.

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。 Therefore, in the surface emitting laser element 10, the in-plane region of the wafer having a desired resonance wavelength is formed by changing the optical film thickness of each layer constituting the second upper DBR 107 to a value different from λ / 4. It is expanding. That is, in the surface emitting laser element 10, the second upper DBR 107 is the wavelength adjustment region.

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。 FIG. 3 is a diagram showing a concept of changing the distribution of resonance wavelengths in the wafer plane in the first embodiment. In FIG. 3, r on the horizontal axis indicates a predetermined radial direction in the wafer surface, and λ on the vertical axis indicates a wavelength. When the distribution D 1 of the resonance wavelength in the wafer surface deviates from the desired wavelength range R, the optical film thickness Dp of each layer constituting the second upper DBR 107 is a value different from λ / 4. by changing, it is possible to change the distribution D 2 of the resonant wavelength in the wafer plane. Thereby, the in-plane region E of the wafer having a desired resonance wavelength can be expanded.

例えば、第1の上部DBR106まで結晶成長後の共振Dip波長λdip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。 For example, when the resonance Dip wavelength λ dip after crystal growth up to the first upper DBR 106 is a short wavelength with respect to the desired oscillation wavelength λ, the optical film thickness of each layer constituting the second upper DBR 107 By making Dp thicker than λ / 4, the in-plane region E of the wafer having a desired resonance wavelength can be expanded.

又、第1の上部DBR106まで結晶成長後の共振Dip波長λdip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。 Further, when the resonance dip wavelength λ dip after crystal growth up to the first upper DBR 106 is a long wavelength with respect to the desired oscillation wavelength λ, the optical film thickness of each layer constituting the second upper DBR 107 is formed. By making Dp thinner than λ / 4, the in-plane region E of the wafer having a desired resonance wavelength can be expanded.

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。 However, if the optical film thickness Dp is significantly changed, the oscillation threshold current value of the surface emitting laser 11 changes significantly, which greatly changes the laser characteristics with respect to the design value. Therefore, the range in which the optical film thickness Dp is changed is set. Need to be specified. This will be described with reference to FIG.

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λdip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。 FIG. 4 is a diagram illustrating an adjustable wavelength range in the first embodiment, in which the adjusted wavelength Δλ and the oscillation threshold current Is, which are the differences between the resonant dip wavelength λ dip and the desired oscillation wavelength λ. The optical film thickness Dp dependence is illustrated. In FIG. 4, the triangle is the oscillation threshold current Is, and the black circle is the adjustment wavelength Δλ.

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。 As shown in FIG. 4, the amount of change in the oscillation threshold current Is is about 0.1 mA between 0.247λ <optical film thickness Dp <0.255λ shown by the two vertical two-dot chain lines. The wavelength shift amount with respect to this current value is estimated to be about 0.05 nm.

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。 That is, when 0.247λ <optical film thickness Dp <0.255λ, the influence of the wavelength shift due to the current is sufficiently small with respect to the change in the oscillation wavelength λ due to the change in the optical film thickness Dp, and the oscillation wavelength is increased. Does not have a significant effect.

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。 Therefore, if 0.247λ <optical film thickness Dp <0.255λ, the resonance wavelength can be adjusted at ± 0.75 nm without significantly changing the laser characteristics with respect to the design value.

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。 That is, when the number of pairs of the high refractive index layer and the low refractive index layer in the first upper DBR 106 is 6, 0.247λ <optical film thickness Dp <0.25λ or 0.25λ <optical film. By adjusting the optical film thickness Dp so as to satisfy the thickness Dp <0.255λ, a desired oscillation wavelength λ can be obtained without significantly affecting the characteristics.

(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。
(Manufacturing method of surface emitting laser element)
Next, a method of manufacturing the surface emitting laser element 10 including a wavelength adjusting step (a step of adjusting the optical film thickness of each layer in the wavelength adjusting region) will be described.

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。 First, as shown in step S100 of FIG. 5, the wavelength adjustment region (second upper DBR107) is laminated up to the lower layer on the substrate 101. Specifically, a lower DBR 102 made of a semiconductor material, a lower spacer layer 103, an active layer 104, an upper spacer layer 105, and a first upper DBR 106 are laminated on a substrate 101 made of n-GaAs.

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。 Those in which a plurality of layers are laminated on the substrate 101 in this way may be referred to as a "laminated body" for convenience below. The laminate can be formed by, for example, an organometallic vapor phase growth (MOCVD) method. Further, it may be carried out by using a molecular beam epitaxy (MBE) method or the like.

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。 Next, as shown in step S110 of FIG. 5, reflection spectroscopy measurement in the wafer plane is performed, and the deviation between the desired wavelength and the resonance wavelength is calculated. Then, as shown in step S120 of FIG. 5, the film thickness of the second upper DBR 107, which is the wavelength adjustment region, is determined, and the second upper DBR 107 and the contact layer 109 are recrystallized.

具体的には、第1の上部DBR106まで結晶成長後の共振Dip波長λdip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。 Specifically, when the resonance Dip wavelength λ dip after crystal growth up to the first upper DBR 106 is a short wavelength with respect to the desired oscillation wavelength λ, the optical film thickness of the second upper DBR 107 is λ /. Feedback is given to the growth time at the time of recrystallization growth so as to increase the thickness from 4.

一方、第1の上部DBR106まで結晶成長後の共振Dip波長λdip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。 On the other hand, when the resonance Dip wavelength λ dip after crystal growth up to the first upper DBR 106 is a long wavelength with respect to the desired oscillation wavelength λ, the optical film thickness of the second upper DBR 107 is thinner than λ / 4. The feedback is given to the growth time at the time of recrystallization growth.

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。 For example, 0.247λ <optical film thickness Dp <0.25λ, based on the relationship between the adjustment wavelength Δλ shown in FIG. 4 and the optical film thickness Dp of each layer constituting the second upper DBR107. Alternatively, the optical film thickness Dp can be determined within the range of 0.25λ <optical film thickness Dp <0.255λ.

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。 Next, as shown in step S130 of FIG. 5, the steps after the production of the wavelength adjustment region are executed. Specifically, after forming the second upper DBR 107, the semiconductor layer around the region to be the surface emitting laser 11 is removed by etching to at least the depth at which the side surface of the current constriction layer 108 appears to form a mesa structure. .. A dry etching method can be used for etching when forming the mesa structure. The mesa structure may be formed so that the shape seen from the upper part is circular, or may be formed so as to have an elliptical shape, a square shape, a rectangular shape, or the like.

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。 After forming the mesa structure, the current constriction layer 108 is oxidized from the periphery of the mesa structure by performing heat treatment in steam, and the selective oxidation region 108a (oxidized region) in the peripheral portion and the central portion are oxidized. It forms with no current constriction region 108b. That is, the current constriction layer 108 is composed of an oxidized selective oxidation region 108a and an unoxidized current constriction region 108b, and has a current constriction structure.

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。 After that, a protective film 170 made of SiN or the like is formed on the outside of the mesa structure of the surface emitting laser 11. Then, the protective film 170 on the contact layer 109 is removed, and an upper electrode 111 serving as a p-side electrode is formed on the contact layer 109. Then, a lower electrode 112 serving as an n-side electrode is formed on the back surface of the substrate 101. Through the above steps, the surface emitting laser element 10 is completed.

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。 The above constitutes the second upper DBR 107 when 6 pairs of the high refractive index layer and the low refractive index layer are laminated so that the optical film thickness of each layer is λ / 4. This is an example of obtaining a desired oscillation wavelength λ by adjusting the optical film thickness Dp of each layer. However, since the number of pairs of the high refractive index layer and the low refractive index layer in the first upper DBR 106 is not limited to 6, the number of pairs of the high refractive index layer and the low refractive index layer in the first upper DBR 106 is generally used. The case of refraction will be described below.

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。 When the number of pairs of the high refractive index layer and the low refractive index layer in the first upper DBR 106 is m, the optical film thickness Dp of each layer constituting the second upper DBR 107 is calculated by the following formula (1). ) Or the desired oscillation wavelength λ can be obtained by adjusting within the range of the equation (2). In addition, in equations (1) and (2), the range of the optical film thickness Dp of each layer constituting the second upper DBR 107 in which the amount of change in the oscillation threshold current value is 0.1 mA or less is defined as the range of the optical film thickness Dp. The number of pairs of the upper DBR 106 of 1 is obtained as a variable m.

Figure 0006834368
Figure 0006834368

Figure 0006834368
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。
Figure 0006834368
However, in the equations (1) and (2), λ is the oscillation wavelength of the surface emitting laser element, and m is a value (p: natural number) satisfying 5 + 0.5 (p-1). Here, the case where m is not an integer (m = 5.5, 6.5, ...) Is included because the number of high refractive index layers and the number of low refractive index layers may be different.

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。 As shown in equations (1) and (2), even if the first upper DBR 106 and the second upper DBR 107 are moved to arbitrary positions above 5 pairs, the variable m is the number of pairs of the first upper DBR 106. The optical film thickness Dp of each layer of the second upper DBR 107 whose wavelength can be adjusted can be described as.

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。 FIG. 6 shows an adjustable range of the optical film thickness of each layer of the second upper DBR 107. In FIG. 6, the vertical axis is the optical film thickness Dp of each layer of the second upper DBR 107, and the horizontal axis is the position within the upper DBR 160 of the interface between the first upper DBR 106 and the second upper DBR 107 (first upper DBR 106). The number of pairs is m).

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。 As shown in FIG. 6, the range of the film thickness to be restricted changes depending on where the boundary between the first upper DBR 106 and the second upper DBR 107 is placed. The wavelength closer to the substrate 101 side (resonator region) can be moved significantly with a smaller amount of change in film thickness. However, the more the optical film thickness of each layer is deviated from λ / 4 in an attempt to largely adjust the wavelength, the lower the characteristics (increase in the threshold current value). In the film thickness range satisfying the formula (1) or the formula (2) (that is, the adjustable film thickness range shown by the broken line in FIG. 6), the wavelength can be adjusted without significantly deteriorating the characteristics as in FIG. is there. In the case of FIG. 6, the resonance wavelength can be adjusted in the range of ± 0.75 nm without significantly deteriorating the characteristics.

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λdip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。 The reason why only m = 5 (5 pairs) or more is targeted in the equations (1) and (2) is as follows. An object of the present invention is to grow once up to the first upper DBR106 at the stage of crystal growth when manufacturing a surface emitting laser element , calculate the deviation of the resonance Dip wavelength λ dip , and correct the calculated deviation. The optical film thickness of the wavelength adjustment layer is adjusted. At this time, if about 5 pairs of the first upper DBR 106 are not stacked, the contribution of the first upper DBR 106 becomes small. Therefore, in the formulas (1) and (2), m = 5 (5 pairs) or more is limited.

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。 As described above, in the surface emitting laser element 10 according to the first embodiment, the second upper DBR107 is provided on the first upper DBR106, and the second upper DBR107 is provided so that a desired oscillation wavelength λ can be obtained. The optical film thickness Dp of each layer constituting the above is adjusted within the range of the formula (1) or the formula (2).

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。 As a result, even when the film thickness fluctuates in the wafer surface during crystal growth and the desired oscillation wavelength λ and the resonance wavelength deviate from each other, the desired oscillation wavelength λ can be adjusted. As a result, the yield of the surface-emitting laser element with respect to the oscillation wavelength λ is improved (that is, it is possible to maximize the region in the wafer surface where the desired oscillation wavelength λ can be achieved), and the cost of the surface-emitting laser element 10 is low. Can be realized.

〈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。
<Second Embodiment>
In the second embodiment, an example in which the oscillation wavelength λ is adjusted by a method different from that of the first embodiment is shown. In the second embodiment, the description of the same components as those in the above-described embodiment may be omitted.

(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。
(Outline of surface emitting laser element)
FIG. 7 is a plan view illustrating the surface emitting laser element according to the second embodiment. FIG. 8 is a partial cross-sectional view illustrating the surface emitting laser element according to the second embodiment, and shows a cross section taken along the line BB of FIG. Note that FIG. 7 has been simplified for the purpose of explaining the present embodiment, and the description of the contact layer and the like is omitted for convenience.

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。 As shown in FIGS. 7 and 8, the surface emitting laser element 20 includes one surface emitting laser 21. The surface emitting laser 21 is connected to the electrode pad 22. The wavelength (oscillation wavelength) of the laser light emitted from the surface emitting laser 21 is λ.

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−Al0.16Ga0.84As高屈折率層とp−Al0.9Ga0.1As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。 The surface emitting laser element 20 is different from the surface emitting laser element 10 (see FIG. 2 and the like) in that a second upper DBR 107 is formed on the first upper DBR 106 via a wavelength adjustment region 150. .. Further, in the surface emitting laser element 20, the second upper DBR107 is not in the wavelength adjustment region, and the second upper DBR107 is, for example, p-Al 0.16 Ga 0.84 As high refractive index layer and p-Al 0. .9 Ga 0.1 As low refractive index layer is formed by laminating 18 pairs so that the optical film thickness of each layer is λ / 4.

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。 FIG. 9 is a schematic view of the layer structure of the wavelength adjustment region and the vertical mode of the standing wave according to the second embodiment.

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。 As shown in FIG. 9, the wavelength adjustment region 150 is configured by laminating a first phase adjustment layer 151, a wavelength adjustment layer 153, and a second phase adjustment layer 152 from the first upper DBR106 side. .. Further, the wavelength adjustment layer 153 is configured by laminating a first adjustment layer 153a, a second adjustment layer 153b, and a third adjustment layer 153c from the first phase adjustment layer 151 side.

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−Al0.16Ga0.84As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。 In the surface emitting laser element 20, as an example, the first phase adjusting layer 151 and the second phase adjusting layer 152 are formed of a p—Al 0.16 Ga 0.84 As high refractive index layer. The first phase adjusting layer 151 and the second phase adjusting layer 152 may be formed of a semiconductor material other than AlGaAs.

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−Al0.9Ga0.1As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。 In the second upper DBR 107, the layer in contact with the second phase adjusting layer 152 is a p-Al 0.9 Ga 0.1 As low refractive index layer. That is, the second phase adjusting layer 152 is formed of a material having a higher refractive index than the material of the lowermost layer of the second upper DBR 107 in contact with the second phase adjusting layer 152.

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。 The wavelength adjustment layer 153 is a form in which three semiconductor material films having different refractive indexes are alternately laminated, and from the substrate 101 side, the first adjustment layer 153a, the second adjustment layer 153b, and the third adjustment layer 153c. Is. However, as will be described later, the surface emitting laser element 20 may not have the wavelength adjusting layer 153 depending on the wavelength at the time of crystal growth.

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。 The first adjusting layer 153a and the third adjusting layer 153c are formed of GaInP as an example, and the second adjusting layer 153b is formed of GaAsP as an example. The material forming the first adjusting layer 153a, the third adjusting layer 153c, and the second adjusting layer 153b may be the opposite. Further, the first adjusting layer 153a, the third adjusting layer 153c, and the second adjusting layer 153b may be formed of another semiconductor material.

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。 The film thickness of the wavelength adjustment region 150 is 3λ / 4, the standing wave at the interface between the first upper DBR 106 and the wavelength adjustment region 150 is a node, and the vicinity of the center of the wavelength adjustment layer 153 is also a node. There is.

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。 In the present embodiment, in order to achieve a desired oscillation wavelength, the resonance wavelength can be changed by 1 nm by changing the number of layers of the wavelength adjustment layer 153 one by one, and the layer of the wavelength adjustment layer 153. The 3 nm resonance wavelength can be adjusted by changing the number.

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。 Specifically, in the in-wafer in-plane region having a desired resonance wavelength during crystal growth, the wavelength adjustment region 150 includes the first phase adjustment layer 151, the first adjustment layer 153a, the second adjustment layer 153b, and the third. It is composed of an adjusting layer 153c and a second phase adjusting layer 152, and emits light having a desired wavelength.

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。 In the in-wafer region having a resonance wavelength 1 nm longer than the desired wavelength during crystal growth, the wavelength adjustment region 150 includes the first phase adjustment layer 151, the first adjustment layer 153a, the second adjustment layer 153b, and the first. It is composed of two phase adjusting layers 152, and light having a desired wavelength is emitted.

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。 In the in-wafer in-plane region having a resonance wavelength 2 nm longer than the desired wavelength during crystal growth, the wavelength adjustment region 150 is formed from the first phase adjustment layer 151, the first adjustment layer 153a, and the second phase adjustment layer 152. Therefore, light of a desired wavelength is emitted.

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。 In the in-wafer in-plane region having a resonance wavelength 3 nm longer than the desired wavelength during crystal growth, the wavelength adjustment region 150 is composed of a first phase adjustment layer 151 and a second phase adjustment layer 152, and light having a desired wavelength is emitted. It is emitted.

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。 In this way, by changing the number of layers of the wavelength adjusting layer 153, it is possible to cancel the wafer in-plane film thickness distribution for 3 nm and expand the wafer in-plane region having a resonance Dip wavelength close to a desired wavelength.

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。 In the present embodiment, the wavelength adjusting layer 153 has three adjusting layers, but the present invention is not limited to this, and the number of adjusting layers may be more or less than three. Further, in the present embodiment, the film thickness of the wavelength adjusting layer 153 is designed so that the wavelength can be adjusted by 1 nm for each adjusting layer, but the film thickness of the adjusting layer is thick even if it is thinner than this. However, the film thickness of the adjusting layer can be appropriately determined according to the required wavelength accuracy.

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。 In the present embodiment, the wavelength can be adjusted in the range of 3 nm by arbitrarily changing the number of layers of the wavelength adjusting layer 153. However, when the desired wavelength deviates from the wavelength range of 3 nm that can be adjusted by the number of layers of the wavelength adjusting layer 153 at the stage of crystal growth up to the wavelength adjusting layer 153, or even if the wavelength is adjusted, it is desired in the wafer surface. There may be few regions where wavelengths can be achieved. Therefore, the resonance wavelength of the entire wafer surface can be adjusted by arbitrarily changing the film thickness of the second phase adjusting layer as described below.

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。 In this method, since the wavelength can be adjusted by changing the film thickness of only the second phase adjusting layer 152, it is easy to control the film thickness. Further, since the amount of change from the original film thickness design value of the entire layer structure is small, it is easy to obtain desired laser characteristics.

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。 FIG. 10 is a diagram showing a concept of changing the distribution of resonance wavelengths in the wafer plane in the second embodiment. In FIG. 10, r on the horizontal axis indicates a predetermined radial direction in the wafer surface, and λ on the vertical axis indicates a wavelength. As shown in FIG. 10, the resonance wavelength distribution D 2 in the wafer surface, which is made uniform by canceling the wafer in-plane film thickness distribution D 1 for 3 nm by adjusting the wavelength adjusting layer 153, is from the desired wavelength range R. If you are out, by arbitrarily changing the thickness of the second phase adjusting layer 152, it is possible to change the distribution D 3 of the resonance wavelength in the wafer plane. Thereby, the in-plane region E of the wafer having a desired resonance wavelength can be expanded.

(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。
(Manufacturing method of surface emitting laser element)
First, on a substrate 101 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 first upper DBR 106, and a part of a wavelength adjustment region 150. The phase adjustment layer 151 and the wavelength adjustment layer 153 of No. 1 are laminated and formed.

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。 Next, reflection spectroscopy measurement in the wafer surface is performed, the deviation between the resonant Dip wavelength and the desired wavelength is calculated, and the number of adjustment layers to be changed in the wavelength adjustment layer 153 is determined.

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、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、第1の調整層153aのみが形成されている面発光レーザ20、何れの調整層も形成されていない面発光レーザ20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。 Below, the wavelength adjustment region 150, the first adjustment layer 153a, the second adjustment layer 153b, and the third adjustment layer 153c surface emitting laser is formed 20 1, and the first adjustment layer 153a and the second the surface emitting laser 2 of the adjustment layer 153b is formed 20 2, the first adjustment layer 153a only the surface emitting laser is formed 20 3, one of the adjustment layer is also not formed a surface emitting laser 20 4 wafers A method of forming each wavelength adjustment region 150 will be described by taking the case of forming in the plane as an example. Further, here, as an example, it is assumed that the first adjusting layer 153a is formed of GaInP, the second adjusting layer 153b is formed of GaAsP, and the third adjusting layer 153c is formed of GaInP.

まず、面発光レーザ20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が形成される領域のみにレジストパターンを形成する。 First, a resist pattern in a region where the surface emitting laser 20 1 is formed. Specifically, a photoresist is applied onto the third adjustment layer 153c in the wavelength adjustment region 150, the exposure by the exposure device, by performing development, the resist pattern only in a region where the surface emitting laser 20 1 is formed Form.

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。 Next, the third adjusting layer 153c in the region where the resist pattern is not formed is removed by wet etching. Specifically, since the third adjusting layer 153c is formed of GaInP, wet etching is performed with a mixed solution of hydrochloric acid and water (hereinafter, may be referred to as a first etching solution).

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、20、及び20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。 Thus, the surface emitting laser 20 2 where the resist pattern is not formed, 20 3, and only the third adjustment layer 153c is removed in a 20 region 4 is formed to expose the surface of the second adjustment layer 153b be able to.

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。 The first etching solution can etch GaInP forming the third adjusting layer 153c, but can hardly etch GaAsP forming the second adjusting layer 153b. After that, the resist pattern is removed with an organic solvent or the like.

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及び20が形成される領域のみにレジストパターンを形成する。 Next, a photoresist is applied to the third adjustment layer 153c and the second adjustment layer 153b on the exposure by the exposure device, by performing development, the area where the surface emitting laser 20 1 and 20 2 are formed only on Form a resist pattern.

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。 Next, the second adjusting layer 153b in the region where the resist pattern is not formed is removed by wet etching. Specifically, since the second adjusting layer 153b is formed of GaAsP, wet etching is performed with a mixed solution of sulfuric acid, hydrogen peroxide, and water (hereinafter, may be referred to as a second etching solution). ..

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及び20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。 Thus, only the second adjustment layer 153b is removed in the region where the surface emitting laser 20 3 and 20 4 where the resist pattern is not formed is formed, it is possible to expose the surface of the first adjustment layer 153a.

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。 The second etching solution can etch GaAsP forming the second adjusting layer 153b, but can hardly etch GaInP forming the first adjusting layer 153a. After that, the resist pattern is removed with an organic solvent or the like.

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、20、及び20が形成される領域のみにレジストパターンを形成する。 Next, a photoresist is applied on the third adjusting layer 153c, the second adjusting layer 153b, and the first adjusting layer 153a, and the surface emitting lasers 20 1 and 20 are exposed and developed by an exposure apparatus. 2, and 20 3 to form a resist pattern only in the region is formed.

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。 Next, the first adjusting layer 153a in the region where the resist pattern is not formed is removed by wet etching. Specifically, since the first adjusting layer 153a is formed of GaInP, wet etching is performed with the first etching solution.

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。 Accordingly, only to remove the first adjustment layer 153a of the surface emitting laser 20 4 where the resist pattern is not formed, it is possible to expose the surface of the first phase adjusting layer 151. After that, the resist pattern is removed with an organic solvent or the like.

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〜面発光レーザ20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。 Next, the second phase adjusting layer 152, the second upper DBR 107, and the contact layer 109 are recrystallized and grown. As a result, the wavelength adjustment region 150 and the second upper DBR 107 in the surface emitting laser according to the present embodiment can be formed. Thereafter, by singulating a surface emitting laser 20 1-emitting laser 20 4, a plurality of surface emitting laser layer number of the wavelength adjustment layer 153 in consideration of the deviation of the desired wavelength and the resonant Dip wavelength is adjusted The element 20 is formed.

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。 In the present embodiment, since the first adjusting layer 153a, the second adjusting layer 153b, and the third adjusting layer 153c forming the wavelength adjusting layer 153 do not contain Al, they are oxidized after etching. It is difficult to maintain a clean surface condition even after etching.

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。 That is, since Al is extremely easily corroded, when any of the first adjusting layer 153a, the second adjusting layer 153b, and the third adjusting layer 153c is formed from the material containing Al, wet etching or the like is performed. Later surface conditions will be poor. Therefore, even if the second upper DBR 107 is formed on this, it may be peeled off or the thickness may be uneven.

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。 However, in the surface emitting laser element 20, since the wavelength adjusting layer 153 is formed of a material that does not contain Al, corrosion of Al or the like does not occur, and such a problem does not occur.

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。 Further, in the present embodiment, the wavelength adjustment layer 153 in the wavelength adjustment region 150 is formed by alternately forming GaAsP and GaInP. Then, when performing wet etching, etching is performed using two types of etching solutions, one of which can be etched with each other but the other cannot be etched.

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。 By performing etching using these two types of etching solutions, the surface after etching becomes flat, and it is possible to form a predetermined thickness without over-etching. As a result, the surface emitting laser element 20 having stable characteristics can be obtained.

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。 In the above example, the case where the adjustment layer constituting the wavelength adjustment layer 153 is a combination of GaAsP and GaInP has been described. However, the adjustment layer constituting the wavelength adjustment layer 153 may be a combination of other semiconductor materials which are materials that do not contain Al, have different etching solutions, and have a bandgap energy larger than the oscillation wavelength.

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。 For example, when the oscillation wavelength is 894.6 nm, examples of such a combination of semiconductor materials include GaInAsP / GaInP, GaAs / GaInP, GaAs / GaInAsP, GaAsP / GaInAsP, and the like. Further, N and Sb may be added such as GaAsN / GaInP, GaInNAs / GaInP, GaAsSb / GaInP and the like.

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。 Next, the optical film thickness of the second phase adjusting layer 152 in the surface emitting laser element 20 will be described in detail. As described above, by changing the number of layers of the wavelength adjusting layer 153, it is possible to cancel the film thickness distribution in the wafer surface and obtain a uniform wavelength, but the adjustable wavelength range is the wavelength adjusting layer 153. In this embodiment, the film thickness distribution is up to 3 nm, depending on the number of layers. Therefore, in the crystal growth up to the wavelength adjustment layer 153, the desired wavelength may deviate from the wavelength range that can be adjusted by the wavelength adjustment layer 153, or even if the desired wavelength is adjusted, the in-plane region of the wafer that achieves the required specifications may be small. ..

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。 Therefore, after the wavelength adjustment layer 153 is formed, reflection spectroscopy measurement in the wafer surface is performed to calculate the deviation between the resonant Dip wavelength and the desired wavelength. Then, the resonance wavelength can be adjusted to a desired wavelength by changing the film thickness of the second phase adjusting layer 152 so as to compensate for the calculated deviation.

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λdip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。 Specifically, when the uniform resonance dip wavelength λ dip after adjusting the number of adjustment layers of the wavelength adjustment layer 153 is a short wavelength with respect to the desired oscillation wavelength λ, the second phase adjustment layer 152 Feedback is given to the growth time during recrystallization so as to increase the film thickness.

一方、波長調整層153を形成後の均一な共振Dip波長λdip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。 On the other hand, when the uniform resonance Dip wavelength λ dip after forming the wavelength adjustment layer 153 is a long wavelength with respect to the desired oscillation wavelength λ, the film thickness of the second phase adjustment layer 152 is reduced so as to be thin. Feedback is given to the growth time during recrystallization growth.

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。 By the way, in the wavelength adjustment by changing the film thickness of the second phase adjusting layer 152, the wavelength can be adjusted by changing only the film thickness of one layer of the second phase adjusting layer 152. Therefore, the number of layers for which the film thickness is changed can be reduced as compared with the case where the optical film thickness of each layer of the second upper DBR 107 is changed from λ / 4. This means that there is little variation from the laser characteristics obtained from the initial design value, and it is effective to adjust the wavelength only by changing the optical film thickness of the second phase adjustment layer 152.

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−Al0.16Ga0.84As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。 FIG. 11 is a diagram illustrating an adjustable wavelength range in the second embodiment, in which the first phase adjusting layer 151 and the second phase adjusting layer 152 have p-Al 0.16 Ga 0.84 As. In the case of a high refractive index layer, the dependence of the adjustment wavelength Δλ, which is the difference between the resonance Dip wavelength and the desired oscillation wavelength λ, and the optical film thickness d of the second phase adjustment layer 152 of the oscillation threshold current Is Illustrate. In FIG. 11, the triangle is the oscillation threshold current Is, and the black circle is the adjustment wavelength Δλ.

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。 As shown in FIG. 11, assuming that the optical film thickness d'per one adjusting layer of the wavelength adjusting layer 153, the number of layers n (positive integer) of the wavelength adjusting layer 153, and the film thickness D of the wavelength adjusting region 150, Regarding the optical film thickness d of the second phase adjusting layer 152, the amount of change in the oscillation threshold current Is is about 0 in the range represented by the equation (3) (the range indicated by the two vertical two-point chain lines). It is about 1 mA, and the wavelength shift amount with respect to this current value is estimated to be about 0.05 nm.

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。 In FIG. 11, the horizontal axis is the optical film thickness d (λ) of the second phase adjusting layer 152, but “0” on the horizontal axis indicates “1/2 (D−nd')”. There is. For example, in FIG. 11, the 0.05 portion means d = 0.05λ + 1/2 (D−nd ′).

Figure 0006834368
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。
Figure 0006834368
In the range where the optical film thickness d of the second phase adjustment layer 152 is represented by the equation (3), the wavelength due to the current is in response to the change in the oscillation wavelength λ due to the change in the film thickness d of the second phase adjustment layer. The effect of shift is small enough and does not significantly affect the oscillation wavelength.

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。 Therefore, if the optical film thickness d of the second phase adjusting layer 152 is within the range represented by the equation (3), the resonance wavelength is adjusted at ± 2.4 nm without significantly changing the laser characteristics with respect to the design value. It is possible to do.

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。 If this is generalized, the range of the optical film thickness d of the adjustable second phase adjusting layer 152 can be expressed by the equation (4). In the equation (4), N is a positive integer, but it is desirable that N is small in consideration of adverse effects such as an increase in the oscillation threshold current value due to the influence of light absorption.

Figure 0006834368
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。
Figure 0006834368
By the way, it is also possible to form the wavelength adjustment region 150 in the resonator. In that case, since it is close to a resonator, the wavelength range can be significantly changed even if the film thickness of the wavelength adjusting layer 153 is thinner than that of the present embodiment. When it is necessary to change the oscillation wavelength significantly without giving a large change to the layer structure, it can be dealt with by moving the wavelength adjustment region 150 closer to the resonator.

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。 As described above, in the surface emitting laser element 20 according to the second embodiment, a desired oscillation wavelength λ can be obtained for a uniform resonance Dip wavelength λdip after adjusting the number of adjustment layers of the wavelength adjustment layer 153. , The optical film thickness d of the second phase adjusting layer 152 is adjusted within the range of the equation (4).

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。 As a result, even when the desired oscillation wavelength λ and the resonance wavelength deviate from each other, the desired oscillation wavelength λ can be adjusted. As a result, the yield of the surface-emitting laser element with respect to the oscillation wavelength λ is improved (that is, it is possible to maximize the region in the wafer surface where the desired oscillation wavelength λ can be achieved), and the cost of the surface-emitting laser element 20 is low. Can be realized.

〈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。
<Third embodiment>
In the third embodiment, another example in which the oscillation wavelength λ is adjusted by a method different from that of the first embodiment is shown. In the third embodiment, the description of the same components as those in the above-described embodiment may be omitted.

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。 The layer structure of the surface emitting laser element according to the third embodiment includes the number of pairs of the first upper DBR106, the composition and film thickness of the first phase adjusting layer 151 and the second phase adjusting layer 152, and the second. Except for the number of pairs of the upper DBR 107, it is the same as the surface emitting laser element 20 according to the second embodiment.

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−Al0.16Ga0.84As高屈折率層とp−Al0.9Ga0.1As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−Al0.16Ga0.84As高屈折率層となっている。 In the surface emitting laser element according to the third embodiment, the first upper DBR 106 has a p-Al 0.16 Ga 0.84 As high refractive index layer and a p-Al 0.9 Ga 0.1 As low refraction. The rate layer is formed by laminating 6.5 pairs so that each layer is λ / 4. The layer of the first upper DBR 106 in contact with the first phase adjusting layer 151 is a p-Al 0.16 Ga 0.84 As high refractive index layer.

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−Al0.9Ga0.1As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−Al0.9Ga0.1As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。 FIG. 12 is a schematic view of the layer structure of the wavelength adjustment region and the longitudinal mode of the standing wave according to the third embodiment. In the surface emitting laser device according to the third embodiment, the wavelength adjustment region 150 is formed on the first upper DBR 106. The wavelength adjustment region 150 includes a first phase adjustment layer 151, a first adjustment layer 153a, a second adjustment layer 153b, and a third adjustment layer 153c, which are composed of a p-Al 0.9 Ga 0.1 As low refractive index layer. , P—Al 0.9 Ga 0.1 As A second phase adjusting layer 152 made of a low refractive index layer is formed. That is, the second phase adjusting layer 152 is formed of a material having a refractive index lower than that of the material of the lowermost layer of the second upper DBR 107 in contact with the second phase adjusting layer 152.

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。 The film thickness of the wavelength adjustment region 150 is 3λ / 4, the standing wave at the interface between the first upper DBR 106 and the wavelength adjustment region 150 is antinode, and the vicinity of the center of the wavelength adjustment layer 153 is a node. There is. As in the second embodiment, the formed surface emitting laser element cancels the film thickness distribution in the wafer surface and has a wavelength for each position in the wafer surface so as to obtain a desired resonance wavelength. A part of the adjustment region 150 has been removed.

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。 In the present embodiment, as in the second embodiment, by changing the number of layers of the wavelength adjustment layer 153, the in-wafer film thickness distribution for 3 nm is canceled, and the resonance Dip wavelength close to the desired oscillation wavelength is obtained. Enlarge the in-plane area of the wafer with. After that, reflection spectroscopy measurement is performed, and the film thickness of the second phase adjusting layer 152 is arbitrarily changed so as to compensate for the deviation between the resonance Dip wavelength and the desired oscillation wavelength.

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。 In the present embodiment as well, as in the second embodiment, the in-plane region of the wafer having a uniform resonant Dip wavelength expanded by changing the number of layers of the wavelength adjusting layer 153 is formed in the second phase adjusting layer 152. By changing the film thickness of the wafer, the in-plane region of the wafer having the desired resonant Dip wavelength is adjusted to be maximized.

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−Al0.9Ga0.1As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。 FIG. 13 is a diagram illustrating an adjustable wavelength range in the third embodiment, in which the first phase adjusting layer 151 and the second phase adjusting layer 152 are p-Al 0.9 Ga 0.1 As. In the case of a low refractive index layer, the dependence of the adjustment wavelength Δλ, which is the difference between the resonance Dip wavelength and the desired oscillation wavelength λ, and the optical film thickness d of the second phase adjustment layer 152 of the oscillation threshold current Is Illustrate. In FIG. 13, the triangle is the oscillation threshold current Is, and the black circle is the adjustment wavelength Δλ.

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。 As shown in FIG. 13, assuming that the optical film thickness d'per one adjusting layer of the wavelength adjusting layer 153, the number of layers n (positive integer) of the wavelength adjusting layer 153, and the film thickness D of the wavelength adjusting region 150, In the range represented by the equation (5) (the range indicated by the two vertical two-point chain lines), the change amount of the oscillation threshold current Is is about 0 for the optical film thickness d of the second phase adjusting layer 152. It is about 1 mA, and the wavelength shift amount with respect to this current value is estimated to be about 0.05 nm.

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。 In FIG. 13, the horizontal axis is the optical film thickness d (λ) of the second phase adjusting layer 152, but “0” on the horizontal axis indicates “1/2 (D−nd')”. There is. For example, in FIG. 13, the 0.05 portion means d = 0.05λ + 1/2 (D−nd ′).

Figure 0006834368
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。
Figure 0006834368
In the range where the optical film thickness d of the second phase adjustment layer 152 is represented by the equation (5), the wavelength due to the current is in response to the change in the oscillation wavelength λ due to the change in the film thickness d of the second phase adjustment layer. The effect of shift is small enough and does not significantly affect the oscillation wavelength.

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。 Therefore, if the optical film thickness d of the second phase adjusting layer 152 is within the range represented by the equation (5), the resonance wavelength is adjusted at ± 2.2 nm without significantly changing the laser characteristics with respect to the design value. It is possible to do.

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。 If this is generalized, the range of the optical film thickness d of the adjustable second phase adjusting layer 152 can be expressed by the equation (6). In the formula (6), N is a positive integer, but it is desirable that N is small in consideration of adverse effects such as an increase in the oscillation threshold current value due to the influence of light absorption.

Figure 0006834368
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。
Figure 0006834368
As described above, in the surface emitting laser element according to the third embodiment, a desired oscillation wavelength λ can be obtained for a uniform resonance Dip wavelength λdip after adjusting the number of adjustment layers of the wavelength adjustment layer 153. The optical film thickness d of the second phase adjusting layer 152 is adjusted within the range of the equation (6).

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。 As a result, even when the desired oscillation wavelength λ and the resonance wavelength deviate from each other, the desired oscillation wavelength λ can be adjusted. As a result, the yield of the surface emitting laser element with respect to the oscillation wavelength λ is improved (that is, it is possible to maximize the region in the wafer surface where the desired oscillation wavelength λ can be achieved), and the cost of the surface emitting laser element is reduced. Can be realized.

〈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。
<Fourth Embodiment>
The fourth embodiment shows another example in which the oscillation wavelength λ is adjusted by a method different from that of the first embodiment. In the fourth embodiment, the description of the same components as those in the above-described embodiment may be omitted.

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。 The layer structure of the surface emitting laser element according to the fourth embodiment is the same as that of the second embodiment except for the film thickness of each layer of the second upper DBR107. That is, in the surface emitting laser element according to the fourth embodiment, a second upper DBR107 which is a wavelength adjustment region is formed in the upper DBR160, and a wavelength adjustment region including a wavelength adjustment layer and a phase adjustment layer is further provided. 150 is formed.

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。 When the film thickness distribution in the wafer surface is out of the adjustable wavelength range due to an arbitrary change in the number of layers of the wavelength adjusting layer 153 and the film thickness of the second phase adjusting layer 152, the first embodiment Similarly, the wavelength can be adjusted by arbitrarily changing the film thickness of each layer of the second upper DBR.

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に変更することができる(調整範囲:±2.4nm)。 FIG. 14 is a diagram showing a concept of changing the distribution of resonance wavelengths in the wafer plane in the fourth embodiment. In FIG. 14, r on the horizontal axis indicates a predetermined radial direction in the wafer surface, and λ on the vertical axis indicates a wavelength. As shown in FIG. 14, the resonance wavelength distribution D 2 in the wafer surface, which cancels out the wafer in-plane film thickness distribution D 1 for 3 nm by adjusting the wavelength adjustment layer 153 and becomes uniform, is from the desired wavelength range R. If you are out, the thickness of the second phase adjusting layer 152 by arbitrarily altered within the scope of formula (4) can be changed in the distribution D 3 of the resonance wavelength in the wafer plane ( Adjustment range: ± 2.4 nm).

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。 Further, by adjusting the optical thickness Dp of each of the layers constituting the second upper DBR107 within the scope of formula (1) or Formula (2), the distribution D 4 of the resonant wavelength in the wafer surface It can be changed (adjustment range: ± 0.75 nm). That is, the oscillation wavelength can be adjusted to a desired wavelength within ± 3.15 nm without significantly changing the oscillation threshold current.

〈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。
<Fifth Embodiment>
In the fifth embodiment, another example in which the oscillation wavelength λ is adjusted by a method different from that of the first embodiment is shown. In the fifth embodiment, the description of the same components as those in the above-described embodiment may be omitted.

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。 The layer structure of the surface emitting laser element according to the fifth embodiment is the same as that of the third embodiment except for the film thickness of each layer of the second upper DBR107. That is, in the surface emitting laser element according to the fifth embodiment, a second upper DBR107 which is a wavelength adjustment region is formed in the upper DBR160, and a wavelength adjustment region including a wavelength adjustment layer and a phase adjustment layer is further provided. 150 is formed.

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。 When the film thickness distribution in the wafer surface is out of the adjustable wavelength range due to an arbitrary change in the number of layers of the wavelength adjusting layer 153 and the film thickness of the second phase adjusting layer 152, the first embodiment Similarly, the wavelength can be adjusted by arbitrarily changing the film thickness of each layer of the second upper DBR.

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に変更することができる(調整範囲:±2.2nm)。 Similar to FIG. 14, the resonance wavelength distribution D 2 in the wafer surface, which is made uniform by canceling the wafer in-plane film thickness distribution D 1 for 3 nm by adjusting the wavelength adjustment layer 153, deviates from the desired wavelength range R. If it is, the thickness of the second phase adjusting layer 152 by arbitrarily altered within the scope of formula (6) can be changed in the distribution D 3 of the resonance wavelength in the wafer plane (adjustment Range: ± 2.2 nm).

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。 Further, by adjusting the optical thickness Dp of each of the layers constituting the second upper DBR107 within the scope of formula (1) or Formula (2), the distribution D 4 of the resonant wavelength in the wafer surface It can be changed (adjustment range: ± 0.75 nm). That is, the oscillation wavelength can be adjusted to a desired wavelength within ± 2.95 nm without significantly changing the oscillation threshold current.

〈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。
<Sixth Embodiment>
The sixth embodiment shows an atomic oscillator using the surface emitting laser element according to the first embodiment. In the sixth embodiment, the description of the same components as those in the above-described embodiment may be omitted.

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。 FIG. 15 is a schematic diagram illustrating an atomic oscillator according to the sixth embodiment. The atomic oscillator 400 shown in FIG. 15 is a CPT type small atomic oscillator, and has a light source 410, a collimating lens 420, a λ / 4 wave plate 430, an alkali metal cell 440, a photodetector 450, and a modulator 460. ..

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。 The atomic oscillator 400 has two different wavelengths of light emitted from the surface emitting laser, which are incident on the alkali metal cell 440, and thus has light absorption characteristics due to the quantum interference effect of 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。 The surface emitting laser element 10 according to the first embodiment is used as the light source 410. However, although an example in which the surface emitting laser element 10 is used will be described in the following description, the surface emitting laser element according to the second to fifth embodiments may be used instead of the surface emitting laser element 10 according to the first embodiment. Good.

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。 The alkali metal cell 440 is filled with Cs (cesium) atomic gas as an alkali metal, and the transition of the D1 line is used. A photodiode is used in the photodetector 450.

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 applied to the alkali metal cell 440 filled with the cesium atomic gas to excite the electrons in the cesium atom. The light transmitted through the alkali metal cell 440 is detected by the photodetector 450, 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。 FIG. 16 shows the structure of the atomic energy level associated with CPT. It utilizes the fact that the light absorption rate decreases when electrons are simultaneously excited from two ground levels to the excited levels. 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. Specifically, the temperature dependence of the wavelength can be adjusted at about 0.05 nm / ° C.

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。 As shown in FIG. 17, by applying modulation, side bands are generated on both sides of the carrier wave, and the frequency difference is modulated at 4.6 GHz so as to match the natural frequency of 9.2 GHz of the Cs atom. ..

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。 As shown in FIG. 18, the laser beam passing through the excited Cs gas becomes maximum when the sideband frequency difference matches the natural frequency difference of the Cs atom. Therefore, the modulation frequency of the surface emitting laser element 10 in the light source 410 is adjusted by feeding back in the modulator 460 so that the output of the photodetector 450 holds the maximum value.

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。 Since the natural frequency of the atom is extremely stable, the modulation frequency becomes a stable value, and this information is taken out as an output. When the wavelength is 894.6 nm, a light source having a wavelength in the range of ± 1 nm is required. That is, a light source having a wavelength in the range of 893.6 nm to 895.6 nm is required.

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。 Since the atomic oscillator 400 uses the surface emitting laser element 10 having a high yield with respect to the oscillation wavelength, the atomic oscillator 400 can be manufactured and provided at low cost. Further, when the surface emitting laser element in the third embodiment and the fourth embodiment is used, it is possible to provide an atomic oscillator 400 having a longer life. This is because the surface emitting laser element of the third and fourth embodiments has a smaller change in the layer structure than the surface emitting laser element of the first embodiment, and the wavelength can be finely adjusted. In other words, since the adjustment accuracy to the desired wavelength is high, the oscillation threshold current is the smallest, and the operation as the atomic oscillator 400 can be realized with the least load and low power consumption.

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。 In this embodiment, Cs is used as the alkali metal, and a surface emitting laser having a wavelength of 894.6 nm is used to use the transition of the D1 line. However, when the D2 line of Cs 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。 Further, 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。 The material composition of the active layer and the like can be designed according to the wavelength. When Rb is used, the modulation frequency is 3.4 GHz for 87 Rb and 1.5 GHz for 85 Rb. Even at these wavelengths, a light source having a wavelength in the range of ± 1 nm is required. That is, when using the Cs D2 line, a light source having a wavelength in the range of 851.3 nm to 853.3 nm is required. Further, when using the D1 line of Rb, a light source having a wavelength in the range of 794.0 nm to 796.0 nm is required. Further, when using the D2 line of Rb, a light source having a wavelength in the range of 779.2 nm to 781.2 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。 Although the preferred embodiment has been described in detail above, it is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and substitutions are made to the above-described embodiment without departing from the scope of claims. Can be added.

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。 For example, in the sixth embodiment, the case where the surface emitting laser element is used for the atomic oscillator has been described, but the surface emitting laser element according to the first to fifth embodiments is a predetermined surface emitting laser element such as a gas sensor. It can be used for other devices and the like that require light of a wavelength. In this case, the same effect can be obtained in these devices and the like by using the surface emitting laser light having a predetermined wavelength according to the application.

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
10, 20-sided emission laser element 11, 21 Surface-emitting laser 12, 22 Electrode pad 101 Substrate 102 Lower DBR
103 Lower spacer layer 104 Active layer 105 Upper spacer layer 106 First upper DBR
107 Second upper DBR
108 Current constriction layer 108a Selective oxidation region 108b Current constriction region 109 Contact layer 111 Upper electrode 112 Lower electrode 160 Upper DBR
170 Protective film 150 Wavelength adjustment region 151 First phase adjustment layer 152 Second phase adjustment layer 153 Wavelength adjustment layer 153a First adjustment layer 153b Second adjustment layer 153c Third adjustment layer 400 Atomic oscillator 410 Light source 420 Collimating Lens 430 λ / 4 wave plate 440 Alkali metal cell 450 Optical detector 460 Modulator

特開2008−53353号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2008-53353

Claims (7)

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、波長調整領域である第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。
Figure 0006834368
Figure 0006834368

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。
The lower Bragg reflector formed on the substrate and
A resonator containing an active layer formed on the lower Bragg reflector and
Including an upper Bragg reflector formed on the resonator.
The upper Bragg reflector is formed of a first upper Bragg reflector and a second upper Bragg reflector which is a wavelength adjustment region from the substrate side.
A surface emitting laser element characterized in that the optical film thickness Dp of each layer of the second upper Bragg reflector satisfies the formula (1) or the formula (2).
Figure 0006834368
Figure 0006834368

However, in the equations (1) and (2), λ is the oscillation wavelength of the surface emitting laser element, and m is a value (p: natural number) satisfying 5 + 0.5 (p-1).
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。
Figure 0006834368
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。
A second wavelength adjustment region provided with a wavelength adjustment layer and a phase adjustment layer is formed in the upper Bragg reflector.
The phase adjusting layer is formed of a material having a higher refractive index than the material of the upper Bragg reflector in contact with the phase adjusting layer.
The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the optical film thickness d of the phase adjusting layer satisfies the equation (4).
Figure 0006834368
However, in the formula (4), d'is the optical film thickness per wavelength adjusting layer, n is the number of wavelength adjusting layers (positive integer), D is the film thickness of the wavelength adjusting region, and N is positive. Is an integer of.
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。
Figure 0006834368
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。
A second wavelength adjustment region provided with a wavelength adjustment layer and a phase adjustment layer is formed in the upper Bragg reflector.
The phase adjusting layer is formed of a material having a refractive index lower than that of the material of the upper Bragg reflector in contact with the phase adjusting layer.
The surface emitting laser element according to claim 1, wherein the optical film thickness d of the phase adjusting layer satisfies the equation (6).
Figure 0006834368
However, in the formula (6), d'is the optical film thickness per wavelength adjusting layer, n is the number of wavelength adjusting layers (positive integer), D is the film thickness of the wavelength adjusting region, and N is positive. Is an integer of.
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。
Figure 0006834368
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。
The lower Bragg reflector formed on the substrate and
A resonator containing an active layer formed on the lower Bragg reflector and
Including an upper Bragg reflector formed on the resonator.
A wavelength adjustment region having a wavelength adjustment layer and a phase adjustment layer is formed in the upper Bragg reflector.
The phase adjusting layer is formed of a material having a higher refractive index than the material of the upper Bragg reflector in contact with the phase adjusting layer.
A surface emitting laser element characterized in that the optical film thickness d of the phase adjusting layer satisfies the equation (4).
Figure 0006834368
However, in the formula (4), d'is the optical film thickness per wavelength adjusting layer, n is the number of wavelength adjusting layers (positive integer), D is the film thickness of the wavelength adjusting region, and N is positive. Is an integer of.
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。
Figure 0006834368
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。
The lower Bragg reflector formed on the substrate and
A resonator containing an active layer formed on the lower Bragg reflector and
Including an upper Bragg reflector formed on the resonator.
A wavelength adjustment region having a wavelength adjustment layer and a phase adjustment layer is formed in the upper Bragg reflector.
The phase adjusting layer is formed of a material having a refractive index lower than that of the material of the upper Bragg reflector in contact with the phase adjusting layer.
A surface emitting laser element characterized in that the optical film thickness d of the phase adjusting layer satisfies the equation (6).
Figure 0006834368
However, in the formula (6), d'is the optical film thickness per wavelength adjusting layer, n is the number of wavelength adjusting layers (positive integer), D is the film thickness of the wavelength adjusting region, and N is positive. Is an integer of.
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。
The surface emitting laser element according to any one of claims 1 to 5.
An alkali metal cell containing an alkali metal and
It has a photodetector that detects the light transmitted through the alkali metal cell among the light emitted from the surface emitting laser element to the alkali metal cell.
Of the light including the sideband emitted from the surface emitting laser element, two different wavelengths of light are incident on the alkali metal cell, so that the oscillation frequency is increased by the light absorption characteristic due to the quantum interference effect of the two types of resonance light. An atomic oscillator characterized by being controlled.
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。 The atomic oscillator according to claim 6, wherein the alkali metal is rubidium or cesium.
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