[发明专利]表面发射激光器元件、原子振荡器以及表面发射激光器元件的测试方法

说明书

技术领域

这里的公开总体上涉及表面发射激光器元件、原子振荡器以及表面发射激光器元件的测试方法。

背景技术

垂直腔表面发射激光器（VCSEL）是从其基板表面的顶部垂直发射光束的半导体激光器。与典型的边缘发射半导体激光器相比，VCSEL可具有几个有利特性，例如，价格低、功耗低、紧凑且高性能以及易于二维集成。

典型的表面发射激光器包括谐振器结构，其谐振器区域具有有源层以及分别在谐振器区域上部和下部的上反射器和下反射器（例如，专利文件1）。在前述的表面发射激光器中，谐振器区域以预定的光学厚度形成以便获得振荡波长λ。利用该构造，光束在谐振器区域中以振荡波长λ振荡。在前述的表面发射激光器中，上反射器和下反射器用交替层叠的相互不同折射系数的材料形成。就是说，具有低折射系数的材料（低折射率材料）和具有高折射系数的材料（高折射率材料）交替地层叠为使低折射率材料和高折射率材料具有λ/4的光学厚度。利用该构造，低折射率材料和高折射率材料在波长λ能获得高反射比。作为选择，提出了一种由芯片内具有不同波长的元件形成的表面发射激光器（例如，专利文件2至4和6）。

在此期间，提出了一种原子钟（原子振荡器），其能提供极其精确的时间，并且已经广泛地研究用于减小原子钟尺寸的技术。原子钟是根据碱性金属原子中电子的跃迁能量振荡的振荡器。具体而言，碱性金属原子中没有干涉的电子的跃迁能量能获得极其精确的值，并且因此原子振荡器可获得比石英振荡器相比高几个数量级的频率稳定性（frequency stability）。

有几种类型的原子钟；然而，在这些类型当中，相干布居俘获（CPT）基原子钟可具有比石英振荡器高三个频率稳定性较高的三个数字，并且将来可形成超紧凑尺寸且消耗超低电能（例如，非专利文件1和2、专利文件5）。

图1示出了CPT基原子钟的结构。如图1所示，CPT基原子钟包括激光器元件910、构造为包封碱性金属的单元940和构造为接收已经通过单元940的激光束的接收元件950。具有这样构造的CPT基原子钟调制激光束且同时跃迁并激发碱性金属原子中具有边带的两个电子，边带呈现在具有特定波长的载波的两侧。跃迁能量保持不变。当边带的波长匹配跃迁能量的波长时，可能发生减少碱性金属中光学吸收的清除响应。因此，在CPT基原子振荡器中，载波的波长调整为在碱性金属中减少光学吸收而使接收元件950检测的信号反馈到调制器960，并且因此调制器960调整从激光器910发射的激光束的调制频率。应注意，在CPT基原子钟中，从激光器元件910发射的激光束通过λ/4波长板930施加到包封碱性金属的单元940。

作为用于这样超紧凑原子钟的光源，具有超紧凑尺寸、显示超低电能损耗和高波长质量的表面发射激光器可为优选的。此外，作为用于超紧凑原子钟的光源，载波显示相对于特定波长的±1nm的高波长精度（例如，非专利文件3）。

[相关技术文件]

专利文件1：日本专利申请第2008-53353号公报

专利文件2：日本专利申请第2000-58958号公报

专利文件3：日本专利申请第11-330631号公报

专利文件4：日本专利申请第2008-283129号公报

专利文件5：日本专利申请第2009-188598号公报

专利文件6：日本专利第2751814号

非专利文件1：Applied Physics Letters,Vol.85,pp.1460-1462（2004）

非专利文件2：Comprehensive Microsystems,vol.3,pp.571-612

非专利文件3：Proc.of SPIE Vol.6132613208-1（2006）

然而，由于在制造半导体层期间生长率的变化以及膜厚度均匀性的变化的负面影响，它显示为难以制造以相同波长振荡的大量的表面发射激光器，并且难以保持所制造表面发射激光器的再现性和一致性。具体而言，通过金属有机化学气相沉积（MOCVD）装置或者分子束外延（MBE）装置沉积的半导体层具有约1至2%的厚度一致性。如果这些半导体层与以850nm的波长振荡的那些半导体层沉积成相同的膜厚度（通过MOCVD或MBE装置），那么它们可具有8.5至17nm的表面分布。因此，如果要求相对于波长显示±1nm的表面分布的半导体层，则由于它们很低的产率而可能升高制造成本。

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