CN1578021A - 光学元件及其制造方法、光模块及光模块的驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有发光元件部分和光接收元件部分的光元件。本发明的光元件(100)包括：发光元件部分(140)；在发光元件部分(140)上设置的具有光学面(108)的光接收元件(120)。该光元件(100)，至少在发光元件部分(140)和光接收元件(120)的层叠方向上射出光。并且，至少在光学面(108)上设置光学构件(160)。

Description

光学元件及其制造方法、光模块及 光模块的驱动方法
技术领域
本发明涉及光学元件及其制造方法、光模块以及光模块的驱动方法
背景技术
关于具有光检测部分的发光元件(例如，面发光型半导体激光器)的技术开发(例如、参照专利文献1)。通常，当把发光元件当作光通信和光运算以及各种传感器的光源使用时，需要对出射光的光学特性，例如，光的放射角和波长等进行控制。
另外，在所述发光元件中，光检测部分被集成在发光元件上。该光检测部分接收由发光元件发生的部分光，并对出射光的光通量进行检测。因此，为使发光元件所发生的光能够进入光检测部分，光检测部分的直径被制作成比发光元件的发光区域还小。
然而，在所述发光元件中，光检测部分用来监视由发光元件产生的光输出，或者光检测部分不仅用来检测由发光元件产生的光输出，还可以作为普通的光接收元件使用。在这种情况下，如前所述，由于制作的光检测部分的直径小于发光元件的发光区域，所以，光检测部分接收光的面积太小，有时无法获得足够的灵敏度。
[专利文献1]特开平10-135568号公告
发明内容
本发明的目的在于提供包括发光元件部分和光接收元件部分的光元件及其制造方法。
还有，本发明的目的还在于提供包括所述光元件的光模块及其驱动方法、以及包括所述光元件的光传输装置。
本发明的光学元件包括发光元件部分以及在所述发光元件部分上面设置的具有光学面的光接收部分；
至少沿所述发光元件部分和所述光接收元件部分的层叠方向出射光；至少在所述光学面上设置光学构件。
这里，所说的“光学构件”，是指具有改变光的光学特性和行进方向功能的构件。所说的“光学特性”例如，是指波长、偏光、放射角等。这种光学构件，例如，可例举出透镜或偏光元件。
还有，所谓的“光学面”是指光透过的面。“光学面”可以是由本明的光元件向外部射出光的面，还可以是从外部入射到本发明的光元件上的光入射面。另外，所说的“外部”是指本发明的光元件以外的区域。
根据本发明的光元件，可以获得包括设置位置、形状和尺寸受到良好控制的光学构件的光元件。详细情况将在本实施方式一栏中加以说明。
所述光元件，可以采取以下(1)～(8)的方式。
(1)所述光接收元件部分的上面，可以包括所述的光学面。
(2)在与所述光学面平行的面上，切开而获得的所述光学构件的截面可以是圆或椭圆。
此时，所述的光学面是圆或椭圆，所述光学构件的截面的最大径可以大于所述光学面的最大径。这里，当所述光学面是圆形时，最大径就是直径。所述光学面是椭圆形时，最大径是指长轴。这种情况对所述光学构件截面的最大直径来讲也同样适用。
(3)所述光学构件的形成可以采用附加能量，使可固化的液体材料固化的方法。
(4)所述光接收元件部分，可以具有将所述发光元件部分出射的光的一部分转换成电流的功能。
(5)所述光接收元件部分，可以具有将由所述光学构件入射到所述光学面上的入射光转换成电流的功能。
此时，所述光接收元件部分的光学膜厚d，当所述发光元件部分的设计波长为λ时，可用下式(1)表达。
d＝mλ/2(m为自然数)                      式(1)
其中，所谓的“设计波长”是指所述发光元件发生的光中，强度最大的光波长。所谓的“光学膜厚”是指层的实际膜厚乘以折射率得出来的数值。
(6)所述的发光元件部分包括：第一反射镜；在所述第一反射镜的上方设置的激活层；以及在所述激活层的上方设置的第二反射镜。所述的光接收元件部分可以包括：第一接触层；在所述第一接触层的上方设置的吸光层；在所述吸光层的上方设置的第二接触层。
(7)所述发光元件部分可以作为面发光型半导体激光器发挥功能。
(8)所述光学构件可以作为透镜发挥功能。
(光元件的制造方法)
本发明的光元件制造方法包括以下工艺：
形成发光元件部分和具有光学面的光接收元件部分的层压体；
向所述光学面喷吐液滴，形成光学构件的前身；
使所述光学构件前身固化，形成光学构件。
根据本发明的光元件制造方法，能够形成包括设置位置、形状和尺寸受到良好控制的光学构件的光元件。详细情况将在本实施方式一栏中加以说明。
在上述光元件的制造方法中，所述液滴可以由通过附加能量可固化的液体材料构成。
(光模块和光传输装置)
本发明的光模块包括第一光元件、第二光元件和光波导。所述第一和第二光元件，是上述光学元件，
从所述第一光元件的光学面出射的光通过所述光波导传输，并入射到所述第二光元件的光学面上；从所述第二光元件的光学面出射的光通过所述光波导传输，并入射到所述第一光元件的光学面上。
还有，本发明的光传输装置包括所述光模块。
(光模块的驱动方法)
本发明的光模块驱动方法是驱动包括第一光元件和第二光元件以及光波导管的光模块的方法，
所述第一和第二光元件是上述光学元件，所述驱动方法包括对所述第一和第二光元件的控制，以使所述第一光元件处于发光状态时，所述第二光元件变成接收光状态；所述第一光元件处于接收光状态时，所述第二光元件变成发光状态。
在本发明中，所谓的“接收光状态”是指能够发挥受光功能的状态，本发明的光元件不管实际上是否已接收到光。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的光元件模式示意剖面图。
图2是图1所示的光元件模式示意剖面图。
图3是图1所示的光元件的一个制造工艺的模式示意剖面图。
图4是图1所示的光元件的一个制造工艺的模式示意剖面图。
图5是图1所示的光元件的一个制造工艺的模式示意剖面图。
图6是图1所示的光元件的一个制造工艺的模式示意剖面图。
图7是图1所示的光元件的一个制造工艺的模式示意剖面图。
图8是图1所示的光元件的一个制造工艺的模式示意剖面图。
图9是图1所示的光元件的一个制造工艺的模式示意剖面图。
图10是图1所示的光元件的一个制造工艺的模式示意剖面图。
图11是本发明的第二实施方式的光元件模式示意剖面图。
图12是本发明的第三实施方式的光元件模式示意剖面图。
图13是图12所示的光元件模式示意平面图。
图14是在图12所示的光元件中，设计波长为850nm时，从激活层103入射到第二反射镜104中的入射光在第二反射镜104内的反射比例(反射率)和从光学面108入射到光接收元件部分120的入射光，在光接收元件部分120内的反射比例(反射率)模式示意图。
图15是本发明的第三实施方式涉及的光模块模式示意图。
图16是图15所示的光元件驱动电路模式示意图例。
图17是本发明的第五实施方式涉及的光传输装置模式示意图。
图18是本发明的第六实施方式涉及的光传输装置的使用状态模式示意图。
以下，就本发明的最佳实施方式，参照附图加以说明。
具体实施方式
(第一实施方式)
1.光元件的构造
图1是适用本发明的第一实施方式涉及的光元件100的模式示意剖面图。图2是图1所示的光元件100的模式示意平面图。
本实施方式的光元件100，如图1所示，包括发光元件部分140和光接收元件部分120。本实施方式表示发光元件部分140作为面发光型半导体激光器发挥功能，光接收元件部分120具有光检测部分功能的情况。
该光元件100能够沿发光元件部分140和光接收元件部分120的层叠方向，从光学面108出射激光。并且，至少在光学面108上设置光学构件160。以下，就发光元件部分140、光接收元件部分120以及其它的主要构成部分进行说明。
(发光元件部分)
发光元件部分140被设置在半导体衬底(在本实施方式中，为n型GaAs衬底)101上。该发光元件部分140构成垂直谐振器(以下称为“谐振器”)。另外，该发光元件140可以包括柱状的半导体沉积体(以下称为“柱状部分”)130。
发光元件部分140例如由以下部分依次层叠构成：即、n型Al0.9Ga0.1As层和n型Al0.15Ga0.85As层交替层叠的40对分布反射型多层膜反射镜(以下称为“第一反射镜”)102；由GaAs势阱层和Al0.3Ga0.7As阻挡层构成的、并且包括由3层构成的势阱层的量子阱结构的激活层103；以及p型Al0.9Ga0.1As层和p型Al0.15Ga0.85As层交替层叠的29.5对分布反射型多层膜反射镜(以下称为“第二反射镜”)104依次层压构成。另外构成第一反射镜102、激活层103以及第二反射镜104的各层组分和层数不受此限。
第二反射镜104例如，通过掺杂C，形成p型，第一反射镜102例如，通过掺杂Si形成n型。因此，利用p型的第二反射镜104、不掺杂杂质的激活层103和n型的第一反射镜102，形成pin二极管。
另外，在发光元件部分140中，从光元件100的第二反射镜104到第一反射镜102的中间部分，形成柱状部分130，该部分从第二反射镜104的上面104a看被蚀刻成圆形形状。根据本实施方式，将柱状部分130的平面形状做成圆形，但，该形状可以为任意形状。
在构成第二反射镜104层中的靠近激活层103的区域，形成由氧化铝构成的狭窄电流层105。该狭窄电流层105呈环状。也就是，该狭窄电流层105在与图1所示的半导体衬底101的表面101a平行的面上，切开时的截面形状为同心圆状。
还有，第一电极107和第二电极109设置在发光元件部分140上。第一电极107和第二电极109用来驱动发光元件部分140。第二电极109设置在发光元件140上面的140a上。具体来讲，如图2所示，第一电极107和第二电极109其平面形状为环状。也就是，第一电极107将柱状部分130包住，第二电极109将光接收元件部分120包住。换言之，柱状部分130设置在第一电极107的内侧，光接收元件部分120设置在第二电极109的内侧。
本实施方式表示第一电极107设置在第一反射镜102上的情况，把第一电极107设置在半导体衬底101的背面101b上也可以。这种情况对后述的第二和第三实施方式中的光元件也同样适用。
第一电极107例如由Au和Ge的合金和Au的层叠膜构成。第二电极109例如由Pt、Ti和Au的层叠膜构成。利用第一电极107和第二电极109，电流流入激活层103。形成第一电极107和第二电极109用的材料，不限定于所述的材料，例如可以采用Au和Zn的合金等。
(光接收元件部分)
光接收元件部分120设置在发光元件部分140上，并且具有光学面。在本实施方式的光元件100中，光接收元件部分120的上面包括光学面108。
并且，光接收元件部分120包括第一接触层111、吸光层112和第二接触层113。第一接触层111设置在发光元件部分140的第二反射镜104上，吸光层112设置在第一接触层111上，第二接触层113设置在吸光层112的上面。本实施方式的光接收元件部分120，表示第一接触层111的平面形状比吸光层112和第二接触层113的平面形状大的情况(参照图1和图2)。另外，第一接触层111与第二电极109和第三电极116连接。第三电极116的一部分是在第二电极109上形成的。即、第一接触层111的侧面与第二电极109连接，而且其上面与第三电极116连接。
第一接触层111例如，可以由n型GaAs层构成，吸光层112例如可以由不掺杂杂质的GaAs层构成，第二接触层113例如可以由p型GaAs层构成。具体来讲，第一接触层111例如，通过掺杂C形成p型，第二接触层113例如，通过掺杂Si形成n型。因此，利用n型的第一接触层111和不掺杂杂质的吸光层112以及p型的第二接触层113形成pin二极管。
第三电极116和第四电极110设置在光接收元件部分120上。第三电极116和第四电极110用来驱动光接收元件部分120。在本实施方式的光元件100中，第三电极116和第一电极107可以用相同材质形成，第四电极110和第二电极109可以用相同材质形成。
第四电极110设置在光接收元件部分120的上表面(第二接触层113上)。在第四电极110上设置开口部分114，该开口部分114的底面是光学面108。因此，通过适当设定开口部分114的平面形状和尺寸，便可适当设定光学面108的形状和尺寸。在本实施方式中，如图1所示，表示光学面108是圆形的情况。
(光学构件)
在本实施方式的光元件100中，至少在光学面108的上面设置光学构件160。具体来讲，如图1所示，光学构件160设置在光接收元件部分120的上表面。在本实施方式中，对光学构件160作为透镜发挥功能的情况进行说明。此时，由发光元件部分140发生的光从光学面108出射之后，经光学构件160聚光后便可射向外部。
光学构件160例如是通过施加热或光等能量，使可固化的液体材料(例如，紫外线固化型树脂和热固化型树脂的前身)固化而形成的。紫外线固化型树脂例如有紫外线固化型丙烯腈树脂和环氧树脂。热固化型树脂可例举出热固化型聚酰亚胺树脂等。
紫外线固化型树脂的前身在短时间的紫外线照射下固化。因此，可以不经过易损坏元件的热处理工序等便可使其固化。因此，通过采用紫外线固化型树脂的前身，形成光学构件160，可以减少对元件的影响。
具体来讲，光学构件160是至少向光学面108(在本实施方式是在光接收元件部分120的上面)喷吐由液体材料构成的液滴160a，形成光学构件前身160b之后，使该光学构件前身160b固化而得到的(参照图9和图10)。关于光学构件160的形成方法，将在后面加以阐述。
另外，光学构件160是切开的圆球状。由于光学构件160是切开的圆球状，可以把光学构件160例如当作透镜或偏光元件使用。例如，通过将光接收元件部分120的上面做成圆形，就可以使光学构件160的立体形状变成切开的圆球状。或者，通过将光接收元件部分120的上面做成椭圆形，还可以使光学构件160的立体形状变成切开的椭圆球状。
这里所说的“切开的圆球状”是指将圆球切成一个平面所得到的形状，该圆球不仅包括正圆球状，还包括近似于圆球的形状。另外，所说的“切开的椭圆球状”，是指将椭圆球切成一个平面所得到的形状，该椭圆球不仅包括纯椭圆球，还包括近似于椭圆球的形状。
在本实施方式的光元件100中，在与光学面108平行的面上切开光学构件160所得到的截面是圆，光学面108也是圆。此时，如图1和图2所示，在与光学面108平行的面上，切开光学构件160所得到的截面的最大径r1(直径)可以比光接收元件部分120上面的最大径(直径)r2和光学面108的最大径(直径)r3大。
(整体构成)
在本实施方式涉及的光元件100中，由发光元件部分140的n型第一反射镜102和p型第二反射镜104以及光接收元件部分120的n型第一接触层111和p型第二接触层113整体构成npnp结构。在上述各层中，通过将p型和n型互相调换，还可以整体构成pnpn结构。或者，虽然没有图示，但是，发光元件部分140或光接收元件部分120的任意一方通过将各层的p型和n型进行调换，则发光元件部分140和光接收元件部分120的整体结构还可以形成npn结构或pnp结构。上述情况对后述的第二和第三实施方式的光元件也同样适用。
光接收元件120具有监视发光元件部分140所产生的光输出功能。具体来讲，光接收元件部分120将由发光元件部分140发生的光转换成电流。根据该电流值，对发光元件部分140产生的光输出进行检测。
再具体讲，在光接收元件部分120中，用吸光层112吸收由发光元件部分140发生的部分光，利用被吸收的光，在吸光层112上产生光激励，从而产生电子和空穴。然后，在由元件外部印加的电场作用下，电子和空穴分别向第三电极116和第四电极110移动。其结果，光接收元件部分120在从第一接触层111到第二接触层113的方向上产生电流。
另外，发光元件部分140的光输出主要由加在发光元件部分140上的偏置电压决定。尤其是发光元件部分140为面发光型半导体激光时，发光元件部分140的光输出，受发光元件部分140的环境温度和发光元件部分140的寿命影响比较大。因此，需要对发光元件部分140的光输出进行监视，根据光接收元件部分120所产生的电流值，调整加在发光元件部分140上的电压值，根据其电压值调整从发光元件部分140中流过的电流值，从而使发光元件部分140保持一定的光输出。并且，将发光元件部分140的光输出反馈给加在发光元件部分140上的电压值，其反馈控制可以利用外部电路(驱动电路；无图示)实施。
在本实施方式中，对光元件100是面发光型半导体激光器的情况进行了说明。本发明还可适用于面发光型半导体激光器以外的发光元件。
可适用本发明的光元件，例如，有半导体发光二极管等。这种情况对后述的第二至第四实施方式的光元件也同样适用。
2.光元件的动作
以下表示本实施方式的光元件100的一般动作。下述的面发光型半导体激光的驱动方法是一个例子，只要不脱离本发明的宗旨，可进行各种改变。
首先，用第一电极107和第二电极109，按照顺时针方向对pin二极管施加电压，此时，在发光元件部分140的激活层103中，电子和空穴产生再耦合现象，由于所述的再耦合而发光。于是，当发生的光往返于第二反射镜104和第一反射镜102之间时，受激放射，增大光的强度。当光增益超过光损耗时，则产生激光震荡，激光从反射镜104上面的104a中射出来，入射到光接收元件部分120的第一接触层111中。
然后，在光接收元件部分120中，入射到第一接触层111中的光紧接着又入射到吸光层112中。该入射光的一部分被吸光层112吸收，结果在吸光层112中产生光激励，从而产生电子和空穴。在由元件外部印加的电场作用下，电子和空穴分别向第三电极116第四电极110移动。
其结果，光接收元件部分120，在从第一接触层111到第二接触层113的方向上产生电流(光电流)。通过测量该电流值，就可以检测发光元件部分140的光输出。另外，通过光接收元件部分120的光，其放射角经过光学构件160缩窄之后出射。
3.光元件的制造方法
下面，参照图3至图10，就适用本发明的第一实施方式的光元件100的制造方法，举例加以说明。图3至图10是图1所示的光元件100的一个制造工艺模式示意剖面图，分别对应于图1所示的剖面图。
(1)首先，在由n型GaAs构成的半导体衬底101的表面101a上，通过一边调整组成一边进行外延生长的方法，形成如图3所示的半导体多层膜150(参照图3)。其中，半导体多层膜150例如，可由以下部分构成：n型Al0.9Ga0.1As层和n型Al0.15Ga0.85As层交替层叠的40对第一反射镜102；由GaAs势阱层和Al0.3Ga0.7As阻挡层构成的、并且包括由3层构成势阱层的多量子阱结构的激活层103；由p型Al0.9Ga0.1As层和p型Al0.15Ga0.85As层交替层叠的29.5对第二反射镜104；由n型GaAs构成的第一接触层111；由不掺杂杂质的GaAs构成的吸光层112以及由p型GaAs构成的第二接触层113。这些层按照顺序在半导体衬底101上进行层叠，形成半导体多层膜150(参照图3)。
在使第二反射镜104生长时，至少在激活层103附近形成一层AlAs层或Al的成分在0.95以上的AlGaAs层。形成这一层之后，进行氧化，变成狭窄电流层105(参照图7)。另外，在后工序形成第二电极109时，至少要提高第二反射镜104中的与第二电极109连接部分附近的载流子密度，使其与第二电极109的欧姆接触性更好。同样，至少要提高第一接触层111中的与第三电极116连接部分附近的载流子密度，使其与第三电极116的欧姆接触性更好。
进行外延生长时的温度，根据生长方法和原料以及半导体衬底101的种类或者形成半导体多层膜150的种类、厚度和载流子密度适当决定。一般最好为450℃至800℃。另外，也和温度一样，适当决定外延生长时的所需时间。外延生长方法可以采用有机金属气相生长法(MOVPE：Metal-Organic Vapor phase Epitaxy)及MBE(分子束外延法：Molecular Beam Epitaxy)法或LPE(液相外延法：Liquid Phase Epitax)法。
(2)然后，将第二接触层113和吸光层112形成规定形状的图案。(参照图4)
首先，在半导体多层膜150上涂敷光致抗蚀剂(无图示)之后，采用光刻法在该光致抗蚀剂层上形成图案，形成规定图案的抗蚀剂层R1。
然后，把抗蚀剂层R1作为掩膜，例如，采用干蚀刻法对第二接触层113和吸光层112进行蚀刻。由此形成第二接触层113和具有第二接触层113相同平面形状的吸光层112。之后，去掉抗蚀剂层R1。
(3)接着，将第一接触层111形成规定形状的图案(参照图5)。具体来讲，首先在第一接触层111上涂敷光致抗蚀剂(无图示)，然后采用光刻法在该光致抗蚀剂层上形成图案，形成规定图形的抗蚀剂层R2(参照图5)。
接着，把抗蚀剂层R2作为掩膜，例如，采用干刻蚀法对第一接触层111进行刻蚀。由此，如图7所示，形成光接收元件部分120。之后，去掉抗蚀剂层R2。该光接收元件部分120包括第二接触层113、吸光层112和第一接触层111。另外，第一接触层111形成的平面形状可以大于第二接触层113和吸光层112的平面形状。
在上述工序中，关于形成第二接触层113和吸光层112图案之后，再形成第一接触层111图案的情况已经进行了说明。形成第一接触层111图案之后，再形成第二接触层113和吸光层112的图案也可以。
(4)接着，通过形成图案，形成包括柱状部分130的发光元件部分140(参照图6)。具体来讲，首先，在第二反射镜104上涂敷光致抗蚀剂(无图示)，然后，采用光刻法在该光致抗蚀剂层上形成图案，形成规定图案的抗蚀剂层R3(参照图6)
接着，把抗蚀剂层R3作为掩膜，例如采用干刻蚀法，对第二反射镜104、激活层103和第一反射镜102的局部进行刻蚀。于是，如图6所示，形成柱状部分130。通过上述工序，在半导体衬底101上，形成包括柱状部分130的谐振器(发光元件部分140)。也就是，形成发光元件部分140和光接收元件部分120的层叠体。之后，去掉抗蚀剂层R3。
在本实施方式中，如前所述，对先形成光接收元件部分120之后再形成柱状部分130的情况进行了说明。在形成柱状部分130之后，再形成光接收元件部分120也可以。
(5)接着，例如，将采用上述工艺已经形成柱状部分130的半导体衬底101放到400℃的水蒸气介质气体中，从侧面对所述的第二反射镜104中的Al成分高的层进行氧化，形成狭窄电流层105(参照图7)。
氧化变速与氧化炉的温度、水蒸气的供给量、应该氧化的层(所述Al成分高的层)的Al组分和膜厚有关。在通过氧化形成的具有狭窄电流层的面发光型激光器中，在驱动时，只有没被形成狭窄电流层的部分(没有被氧化的部分)有电流流过。因此，在利用氧化形成狭窄电流层的工序中，通过控制形成狭窄电流层105的范围，可以控制电流的密度。
另外，为使由发光元件部分140射出来的大部分光入射到第一接触层111，最好要调整狭窄电流层105的直径。
(6)接着，在第二反射镜104的上面104a上，形成第二电极109，在光接收元件部分120的上面(第二接触层113的上面113a)形成第四电极110(参照图8)。
首先，在形成第二电极109和第四电极110之前，必要时，采用等离子处理法等，对第二反射镜104的上面104a和第二接触层113的上面113a进行清洗。这样，便可形成特性更加稳定的元件。
然后，采用如真空蒸发的方法，例如形成Pt、Ti和Au的层叠膜(无图示)。接着，采用剥离法(lift-off)，将规定位置之外的层叠膜去掉，形成第二电极109和第四电极110。此时，在第二接触层113的上面113a，形成没有被形成所述层叠膜的部分。该部分为开口部分114，开口部分114的底面为光学面108。在所述工序中，还可以采用干刻蚀法取代剥离法。还有，在所述工序中，同时形成第二电极109和第四电极110的图案。也可以分别形成第二电极109和第四电极110的图案。
(7)接着，用同样的方法例如通过在AuGa的合金和Au的层叠膜上形成图案，在发光元件部分140的第一反射镜102上，形成第一电极107，在光接收元件部分120的第一接触层111上，形成第三电极116(参照图9)。
接着，进行退火处理。退火处理的温度与电极材料有关。采用本实施方式中的电极材料时，通常在400℃左右进行退火。通过所述工序，形成第一电极107和第三电极116。(参照图9)另外，同时形成第一电极107和第三电极116的图案也可以，或者第一电极107和第三电极116分别形成也没有关系。
通过以上工序，能够获得包括发光元件部分140和光接收元件部分120的光元件100。(参照图9)
(8)接着，在光接收元件部分120的上表面形成光学构件160(参照图9和图10)。在本实施方式中给出了在光学面108上形成光学构件160(参照图1)的一部分，光学构件160的其它部分借助于第四电极110形成于光接收元件部分120的上表面。
首先，根据需要，在光接收元件部分120的上表面(第二接触层113的表面和光学面108)，为调整光学构件160的浸润角进行处理。采用此工艺，在后述的工序中，将液体材料注入到光接收元件部分120的上表面时，能够获得所要求的形状的光学构件前身160b，其结果，能够获得所要求的形状的光学构件160(参照图9和图10)。
接着，例如，采用喷墨法，向光学面108喷吐液体材料的液滴160a。作为喷墨的喷吐方法例如有：(i)利用热改变液体(这里是指透镜材料)中的气泡大小，从而产生压力，喷吐液体的方法；(ii)利用压电元件产生的压力喷吐液体的方法。从控制压力的观点来看，最好采用所述(ii)的方法。
喷墨头的喷嘴位置和液滴的滴液位置校准技术，可采用普通的半导体集成电路制造工艺中的暴光工艺和检验工艺的公知的图像识别技术进行。例如，如图9所示，校准喷墨头180的喷嘴170的位置和光学面108的位置。校准之后，控制加在喷墨头180上的电压，喷吐液体材料的液滴160a。这样，如图9所示，在光接收元件部分120的上表面形成光学构件前身160b。
此时，如图9所示，从喷嘴170喷吐出来的液滴160a，击中光接收元件部分120的上表面时，在表面张力的作用下，液体材料160b变形，液体材料160b集中到光接收元件部分120上表面的中心部位。由此，自动进行位置补偿。
还有，在这种情况下，光学构件前身160b(参照图10)，根据光接收元件部分120上面的形状和尺寸大小、液滴160a的喷吐量、液滴160a的表面张力以及光接收元件部分120上面与液滴160a之间的界面张力，变成相应的形状和尺寸。因此，通过对这些因素进行控制，可以控制最终获得的光学构件160(参照图1)的形状和尺寸，从而提高透镜设计的自由度。
经过上述工序处理之后，如图10所示，通过照射能量线(例如紫外线)115，使光学构件前身160b固化，在光接收元件部分120的上表面形成光学构件160(参照图1)。其中，最佳紫外线的波长和照射量与光学构件前身160b的材质有关。例如，采用丙烯晴树脂类紫外线固化树脂前身，形成光学构件前身160b时，照射5分钟波长为350nm、强度为10mW的紫外线进行固化。采用上述工艺，如图1所示，能够获得本实施方式的光元件100。
4.作用效果
本实施方式涉及的光元件100，具有以下所示的作用和效果。
(A)第一、至少通过在光学面108上设置光学构件160，可使在调整发光元件部分140所发生的光的放射角之后，向外部射光。例如，通过设置光学构件160，可以缩小发光元件部分140所发生的光的放射角。这样一来，由本实施方式涉及的光元件100出射的光，例如导入光纤等光波导管时，能够很容地将所述光导入所述光波导管。
(B)第二、能够精确控制光学构件160的尺寸和形状。为形成光学构件160，如所述工序(8)说明的那样，在形成光学构件160工序，在光接收元件部分120的上表面形成光学构件前身160b(参照图8和图9)。其中，光接收元件部分120的侧壁，只要不被构成光学构件前身160b的液体材料浸湿，所述液体材料的表面张力就主要作用于光学构件前身160b。因此，通过控制形成光学构件160所采用的所述液体材料(液滴160a)的量，便可控制光学构件前身160b的形状。由此，可以形成形状受到更加精确控制的光学构件160。其结果，能够获得具有所要求的形状和尺寸的光学构件160。
(C)第三、能够精确控制光学构件160的设置位置。如前所述，光学构件160是向光接收元件部分120的上表面喷吐液体材料的液滴160a，形成光学构件前身160b之后，使光学构件前身160b固化而形成的(参照图9和图10)。通常对喷吐液滴的落下位置很难进行精确控制。可是，采用此方法，可以不进行定位就在光接收元件部分120的上面形成光学构件160。即、通过仅向光接收元件部分120的上面喷吐液滴160a，不进行定位，便可形成光学构件前身160b。由此，可以简单形成设置位置受到控制的光学构件160，并且成品率高。
尤其采用喷墨法喷吐液滴160b时，由于能够将液滴160a喷吐到更准确的位置上，所以可以简单形成设置位置受到更精确控制的光学构件160，并且成品率高。另外，由于采用喷墨法喷吐液滴160a，能以微微升量级单位对喷吐液滴160a的喷吐量进行控制，因此，能够精确制作微细结构。
第四、由于可以用光接收元件部分120对发光元件140的部分光输的光输出的一部分进行监视，且反馈给驱动电路，可以补正温度等引起的输出波动，从而获得稳定的光输出。
(第二实施方式)
1.光元件的构造
图11是适用本发明的第二实施方式涉及的光元件200模式示意剖面图。在本实施方式中，和第一实施方式一样，给出了发光元件部分240作为面发光型半导体激光器发挥功能，及光接收元件部分220具有光检测部分功能的情况。
本实施方式涉及的光元件200，在光接收元件部分220和发光元件部分240依次被层叠在半导体衬底201上这一点，不同于第一实施方式的光元件100的构成。在本实施方式的光元件200中，将与第一实施方式涉及的光元件100的构成要素“1XX”类似的构成要素用“2XX”表示。也就是，“2XX”和第一实施方式的光元件100的“1XX”所表示的构成要素相同，因为基本上由相同的材质构成，所以，将其详细说明予以省略。
本实施方式的光元件200包括设置在半导体衬底201上的光接收元件部分220和设置在光接收元件部分220上的发光元件部分240。该光元件200可以在发光元件部分240和光接收元件部分220的层叠方向上射出光。
光接收元件部分220包括第二接触层213、吸光层212和第一接触层211。P型的第二接触层213、吸光层212和n型的第一接触层211依次被层叠在由p型GaAs构成的半导体衬底201上。第二接触层213、吸光层212和第一接触层211可以分别采用第一实施方式的第二接触层113、吸光层112和第一接触层111的相同材质形成。
发光元件部分240包括第二反射镜204、激活层203和第一反射镜202。P型的第二反射镜204、激活层203和n型的第一反射镜202依次层叠在光接收元件部分220上。第二反射镜204、激活层203和第一反射镜202可以采用第一实施方式的第二反射镜104、激活层103和第一反射镜102相同的材质形成。另外，在第二反射镜204上，和第一实施方式的第二反射镜104一样，设置狭窄电流层205。
本实施方式的光元件200还包括第一电极207、第二电极209、第三电极216和第四电极210。第一电极207和第二电极209用来驱动发光元件部分240。第三电极216和第四电极210用来驱动光接收元件部分220。第一电极207设置在第一反射镜202上。第二电极209和第三电极216设置在第一接触层211上。第四电极210设置在第二接触层213上。第二电极209、第三电极216和第四电极210其平面形状为环状。第二电极209将发光元件部分240包住，第三电极216和第四电极210将光接收元件部分240包住。具体来讲，发光元件部分240设置在第二电极209的内侧，光接收元件220设置在第四电极210的内侧。另外，第二电极209与第二反射镜204的侧面连接。第二电极209的一部分设置在第三电极216上。
还有，在本实施方式的光元件200中，当与光接收元件部分220的光学构件260连接一侧为上面、与发光元件部分240连接一侧为下面时，光学面208设置在光接收元件部分220的上面。具体来讲，穿通半导体衬底201的开口部分214设置在半导体衬底201上，该开口部分214的底面成为光学面208。还有，光学构件260设置在该光学面208上。该光学构件260镶嵌在开口部分214内。
2.光元件的动作
本实施方式的光元件200，在半导体衬底201上的发光元件部分240和光接收元件部分220的层叠顺序和第一实施方式的光元件100相反。可是，由于本实施方式的光元件200的基本动作和第一实施方式的光元件100相同，故详细说明予以省略。
即、在本实施方式的光元件200中，由发光元件部分240发生的光的一部分，穿过光接收元件部分220从光学面208射出，其放射角被光学构件260缩小之后，射向外部。其中，由发光元件部分240发生的部分光被光接收元件部分220的吸光层212吸收，转换成电流，从而检测出由发光元件部分240产生的光输出。
3.作用效果
本实施方式涉及的光元件200，实质上具有和第一实施方式涉及的光元件100同样的作用和效果。在本实施方式涉及的光元件200中，由于光学构件260设置在开口部分214内，能将光学构件260稳定地设置在光学面208上。
还有，光学构件260是通过向开口部分214内喷吐液滴，形成光学构件前身(无图示)，使该光学构件前身固化而形成的。因此，通过调整开口部分214的形状和尺寸，可以使光学构件260变成所需要的形状和尺寸。
(第三实施方式)
1.光元件的构造
图12是适用本发明的第三实施方式涉及的光元件300的模式示意剖面图。图13是图12示出的光元件300的模式平面图。在本实施方式中，与第一、第二实施方式一样，以面发光型半导体激光器作为光元件的情况进行说明。
本实施方式涉及的光元件300具有第一实施方式的光元件100同样的结构。因此，和第一实施方式涉及的光元件100实质上相同的主要构成部分，附加相同的符号，其详细说明予以省略。
本实施方式的光元件300的光接收部分120，还具有吸收由外部经过光学构件160入射到光学面108上的入射光，并将其转换成电流的功能。当发光元件部分的设计波长为λ时，光接收元件部分120的光学膜厚d，可以用以下式(1)表示。
d＝mλ/2(m为自然数)            式(1)
在本实施方式的光元件300中，光接收元件部分120的光学膜厚d如图12所示，是第一接触层111的光学膜厚、吸光层112的光学膜厚和第二接触层113的光学膜厚的总计值。因为光学膜厚为实际的层膜厚乘以折射率得出来的数值，所以，例如，当光波长为λ、光学膜厚为λ/4、折射率n为2.0时，该层的实际膜厚等于光学膜厚/折射率n，所以λ/4/2.0＝0.125λ。在本申请中，只说“膜厚”时，是指层的实际膜厚。
通过将光接收元件部分120的光学膜厚d设定成满足上述公式(1)的数值，就可以使光接收元件部分120的吸光层112有效吸收特定波长的光。
图14表示在本实施方式的光元件300中，发光元件部分140的设计波长λ是850nm，光接收元件部分120的光学膜厚d是2λ，而且，发光元件部分140的第二反射镜104是由光学膜厚为λ/4的p型Al0.9Ga0.1As层和光学膜厚为λ/4的p型Al0.15Ga0.85As层交替层叠29.5对构成时，从光学面108入射到光接收元件部分120的光在光接收元件部分120内的反射比例(反射率)和从激活层103入射到第二反射镜104的光，在第二反射镜104内的反射比例(反射率)。在图14中，用实线表示从光学面108入射到光接收元件部分120的光反射率，用虚线表示从激活层103入射到第二反射镜104的光反射率。
根据图14，设计波长λ的光从激活层103入射到第二反射镜104时，所述光的反射率几乎近似于100％，而设计波长λ的光从光学面108入射到光接收元件部分120时，所述光的反射率几乎为0％。因此，设计波长λ的光从光学面108入射到光接收元件部分120时，可以说所述的光几乎都被光接收元件部分120吸收。
根据以上结果，采用该光元件300，通过把光接收元件部分120的光学膜厚设定成满足于公式(1)的数值，不改变发光元件部分140的构造，便可利用吸光层112有效吸收光。因此，可在不使发光元件部分140特性下降的情况下，将从外部入射到光学面108的入射光有效地导入光接收元件部分120的吸光层112。
第二实施方式的光元件200也和本实施方式的光元件300一样，光接收元件部分也可以具有将来自外部的入射光转换成电流的功能。在这种情况下，通过将光接收元件部分的光学膜厚设定成满足公式(1)的数值，就可以起到与本实施方式的光元件300同样的作用效果。
2.光元件的动作
在本实施方式的光元件300中，如前所述，光接收元件部分120吸收来自外部的光，并且将光转换成电流。此时，来自外部的光入射到光学构件160之后，所述光从光学面108入射到光接收元件部分120中。所述光被吸光层112吸收，并转换成电流。在这里，根据获得的电流值，便可以检测由外部入射的光通量。另一方面，发光元件120发光之后，穿过光接收元件部分120的光，在光学构件160使放射角变窄后射出。除上述动作外，其它动作与第一实施方式的光元件100基本相同，故详细说明予以省略。
3.作用效果
本实施方式涉及的光元件300及其制造方法，与第一实施方式涉及的光元件100及其制造方法实质上具有同样的作用和效果。
还有，根据本实施方式的光元件300，光接收元件部分120吸收来自外部的光，并转换成电流。此时，由于光学构件160设置在光学面108上，所以可以使宽范围的光入射到光学面108上。
该光学构件160是通过向光接收元件120的上表面喷吐液滴，形成光学构件前身160b，并通过使该光学构件前身160b固化而形成的。
因此，如图12和图13所示，光学构件160的最大截面直径r1可以大于光接收元件部分120上面的直径r2。这样一来，因为能够把光学构件160的直径做得更大一些，所以可以使范围很宽的光入射到光学面108中。
另外，在本实施方式的光元件300中，设置在发光元件部分140上的第一和第二电极107、109具有环状的平面形状(参照图13)。发光元件部分140作为面发光型半导体激光器发挥功能时，由于第一和第二电极107、109具有环状的平面形状，所以电流可以均匀地在发光元件部分140中流动。
另一方面，第一和第二电极107、109以及柱状部分130、光接收元件部分120的各个截面位于同心圆上。再具体讲，柱状部分130和第二电极109设置在第一电极107的内侧，光接收元件部分120设置在第二电极109的内侧。这样，如图12所示，在光接收元件部分120的上面设置的光学面108比发光元件部分140的截面小。因此，来自外面的光很难进入光学面108。
可是，在本实施方式的光元件300中，由于光学构件160设置在光学面108上，使来自外部的光能够很容易进入光学面108中。这样一来，即使第一和第二电极107、109是环状，也能够有效地从光学面108获取光。
(第四实施方式)
图15是适用本发明的第四实施方式的光模块500的模式示意图。该光模块500包括光元件400(第一光元件400a、第二光元件400b)和半导体芯片20以及光波导管(光纤30)。光元件400和第三实施方式的光元件300一样，光接收元件部分320具有以下功能：即、将由发光元件部分340入射到光学面308的入射光转换成电流；将由光学构件360入射到光学面308的入射光转换成电流。下面，关于第一光元件400a和第二光元件400b的相同构造或功能的描述，以“400”为标记进行说明。
在本实施方式的光模块500中，采用第三实施方式的光元件300代替光元件400时，也可以起到同样的作用和效果。这种情况对后述的第五和第六实施方式也是一样。
1.光模块的构造
在光模块500中，如图15所示，在光纤30的端面30a、30b上，分别设置第一和第二光元件400a和400b。第一和第二光元件400a和400b具有相同的构造。第一和第二光元件400分别包括发光元件部分340和光接收元件部分320。构成发光元件部分340和光接收元件部分320的各层，除电极的设置位置外，其构成与图1所示的光元件100的发光元件部分140和光接收元件部分120基本相同。在图15中，表示构成发光元件部分340和光接收元件部分320的各层予以省略。
在图15所示的光元件400中，第一电极307和第二电极309用来驱动发光元件部分340，第二电极309和第四电极310用来驱动光接收元件部分320。另外，在第四电极310中，开口部分314位于光接收元件部分320上面的局部区域。该开口部分314的底面是光学面308。
光学构件360设置在光学面308的上面。该光学构件360的构成材质和图1所示的光元件100的光学构件160相同，并且可以用同样的方法形成。第一至第四电极307、309、316、310的一部分分别设置在绝缘层306上。绝缘层306最好采用例如聚酰亚胺树脂、氟树脂、丙烯腈树脂或环氧树脂等树脂，或氮化硅、氧化硅、氮氧化硅等绝缘材料。
第一和第二光元件400a、400b分别作为光接收元件或发光元件发挥功能。光模块500可以进行双向通信。第一光元件400a作为发光元件发挥功能，第二光元件400b作为光接收元件发挥功能时，第一光元件400a中的发光元件部分340所发生的光从光学面308射出，入射到光学构件360中之后，所述光被光学构件360聚光。然后，从光学构件360射出来的所述光，入射到光纤30的端面30a。该入射光通过光纤30传输从端面30b射出，经过光学构件360，入射到第二光元件400b的光学面308上，之后被第二光元件400b的光接收元件部分320吸收。
或者，第一光元件400a作为光接收元件发挥功能，第二光元件400b作为光接收元件发挥功能时，第二光元件400b中的发光元件部分340所发生的光从光学面308射出之后，所述光被光学构件360聚光。然后，从光学构件360射出来的所述光，入射到光纤30的端面30b。该入射光通过光纤30传输从端面30a射出，经过光学构件360，入射到第一光元件400a的光学面308上，之后被第一光元件400a的光接收元件部分320吸收。
第一光元件400a在与光纤30的端面30a的相对位置处于固定的状态，第二光元件400b在与光纤30的端面30b相对的位置处于固定的状态。另外，第一光元件400a的光学面308与光纤30的端面30a相对，第二光元件400b的光学面308与光纤30的端面30b相对。
半导体芯片20是为驱动光元件400设置的。即、在半导体芯片20中，嵌有驱动光元件400用的电路。在半导体芯片20上，设有多个与内部电路进行电气连接的布线24、34和64。
半导体芯片20和光元件400形成电连接。例如，第一电极307和布线24，借助于焊锡26进行电连接。还有，第二电极309和布线64，借助于焊锡26进行电连接。第四电极310和布线34，借助于焊锡26进行电连接。
光元件400可以相对于半导体芯片20面朝下贴装。
这样一来，不仅可利用焊锡26能进行电气连接，还可以将光元件400和半导体芯片20固定。上述各电极和布线图连接时，还可以用导线或导电膏代替焊锡26。
还有，如图15所示，光元件400和半导体芯片20之间，可以用树脂56固定。即、树脂56具有使光元件400和半导体芯片20保持连接状态的功能。此时，如图15所示，由于使树脂56不覆盖光学构件311，所以可以确保光学构件311和其周围的折射率之差。从而可以确保光学构件311的聚光功能。
在半导体芯片20上，设置孔(例如穿通孔)28。光纤30插入该孔28。该孔28避开内部电路，位于从设置半导体芯片20的布线图24、34、64的面到其对面的面上。孔28至少一侧的开口端部(无图示)加工成圆锥形也可以。由于形成圆锥形，使光纤30更容易插入孔28。
2.光模块的驱动方法
下面，就图15所示的光模块500的驱动方法参照图16加以说明。图16是图15所示的光元件400的驱动电路(主要部分)的模式示意图例。
图15所示的光模块500，在第一光元件400a和第二光元件400b之间，可通过时分转换光发送和光接收而进行控制。如前所述，进行以下控制：即、当第一光元件400a具有发光元件的功能时，第二光元件400b接收第一光元件400a所发生的光；当第二光元件400b具有发光元件的功能时，第一光元件400a接收第二光元件400b所发生的光。另外，时分通过分别输入到驱动器IC40和开关电路42的时钟54、55控制。
光元件400的驱动电路如图16所示，包括驱动器IC40、开关电路42和变压器阻抗放大器(TIA)44。图16所示的驱动电路是按照每一个光元件400设置的。另外，在光元件400中，可以在相同方向上，对发光元件部分340和光接收元件部分320施加偏置电压。
驱动器IC40与光元件400的发光元件部分340的一个电极进行电连接，开关电路42与光元件400的光接收元件部分320的一个电极进行电连接。另外，如图16所示，发光元件部分340的另一个电极和光接收元件部分320的另一个电极接地。并且，在光接收元件320的一方电极上加反向偏置电压。TIA 44与开关电路42进行电连接。
驱动器IC40是为驱动光元件400的发光元件部分340设置的。具体来讲，发送信号58在被输入驱动器IC40期间，出射在发光元件部分340发生的光。另外，发光元件部分340在驱动期间，光接收元件部分320能够监视在发光元件部分340所产生的光的输出。以下，参照图16具体说明发光元件部分340驱动时的电路动作。
首先，发送信号58被输入驱动器IC40时，驱动器IC50就开始驱动发光元件部分340。然后，发送信号58在被输入驱动器IC40期间，光接收元件部分320对发光元件部分340所产生的光输出进行检测。被检测出的光输出，作为APC输入52通过开关电路42，输入到驱动器IC40中。
另一方面，在发送信号58没有被输入驱动器IC40期间，从光纤30的端面30a射出来的光，经过光学构件160入射到光元件400的光学面108上。具体来讲，光元件400在没有输入发送信号58的期间，开关电路42切换到TIA 44侧(参照图16)。该TIA 44具有将接收信号50放大的功能。
如上所述，本实施方式的光模块500中，能够时分控制第一和第二光元件400a和400b，即、当第一光元件400a处于发光状态时，第二光元件400b变成光接收状态；当第一光元件400a处于光接收状态时，第二光元件400b变成发光状态。
(第五实施方式)
图17是适用本发明的第五实施方式的光传输装置示意图。光传输装置90是将计算机、显示器、存储装置和打印机等电子设备92互相连接的装置。电子设备92也可以是信息通信设备。光传输装置90还可以在电缆94的两端设置接插件96。电缆94包括光纤30(参照图15)。接插件96中装有光元件400(400a、400b)和半导体芯片20。由于光纤30装在电缆94中，光元件400和半导体芯片20装在接插件96中，所以在图17中没有表示出来。光纤30和光元件400的安装状态和第四实施方式中的说明一样。
在光纤30的两端分别连接第四实施方式的光元件400a和400b。在光纤30一端设置的光元件400a作为光接收元件发挥功能时，该光元件400a的光接收元件部分120，把光信号转换成电信号之后，将该电信号输入到电子设备92中。此时，在光纤30的另一端设置的光元件400b作为发光元件发挥功能。即、在该光元件400b的发光元件部分140中，从电子设备92输出的电信号被转换成光信号。该光信号通过光纤30传输，输入到作为光接收元件发挥功能的光元件400a中。
如上述说明，采用本实施方式的光传输装置90，可以利用光信号在电子设备92之间传送信息。
(第六实施方式)
图18是适用本发明的第六实施方式的光传输装置使用状态示意图。光传输装置90连接在电子设备80之间，作为电子设备80例如有液晶显示监视器或对应数字技术的CRT(一般用于金融、通信销售、医疗、教育领域)、液晶投影仪、等离子显示板(PDP)、数字TV、零售店的现金出纳机[POS(Point of Sale Scanning)用]、录象机、调谐器、游戏机、打印机等。在
本发明不限定于上述的实施方式，可进行各种改变。
例如，本发明包括与实施方式中说明的构成实质上相同的构成(例如，功能、方法以及结果相同的构成、或者目的和结果相同的构成)。另外，本发明还包括可以置换了实施方式所阐述的非本质性构成的部分。本发明还包括与实施方式中说明的构成具有同样作用效果的构成或者能够达到同样目的的构成。而且，本发明还包括在实施方式说明的构成中，附加公知技术的构成。
例如，关于上述实施方式的光元件，虽然对发光元件部分具有一个柱状部分的情况进行了说明，但是，在发光元件部分即使设置多个柱状部分，也无损于本发明的实施。另外，即使排列多个光元件，也具有同样的作用和效果。
还有，例如，在上述实施方式中，各半导体层p型和n型即使调换，也不违背本发明的宗旨。在上述实施方式中，虽然对AlGaAs的材料进行了说明，但是，根据振荡波长，还可以采用其它材料，例如，GaInP、ZnSSe、InGaN、AlGaN、InGaAs、GaInNAs、GaAsSb等半导体材料。
尽管本发明已经参照附图和优选实施例进行了说明，但是，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。本发明的各种更改、变化和等同替换均由所附的权利要求书的内容涵盖。
符号说明
20半导体芯片、24、34、64布线图案、26焊锡、28孔、30光纤、30a、30b光纤端面、40发光元件部分的驱动器IC、42开关电路、44变压器阻抗放大器(TIA)、50接收信号、52APC输入、54、55时钟、56树脂、58发送信号、80、92电子设备、90光传输装置、94电缆、96接插件、100、200、300、400、400a、400b光元件、101、201、301半导体衬底、101a半导体衬底101的表面、101b半导体衬底的背面、102、202第一反射镜、103、203激活层、104、204第二反射镜、104a第二反射镜104的上面、105、205狭窄电流层、107、207、307第一电极、108、208、308光学面、109、209、309第二电极、110、210、310第四电极、111、211第一接触层、112、212吸光层、113、213第二接触层、113a第二接触层113的上面、114、214、314开口部分、115能量线、116、216、316第三电极、120、220、320光接收元件部分、130柱状部分、140、240、340发光元件部分、150半导体多层膜、160、260光学构件、160a液滴、160b光学构件前身、170喷嘴、180喷墨头、306绝缘层、500光模块、R1、R2、R3抗蚀剂层

Claims (16)

1.一种光元件，包括发光元件部分以及设置在所述发光元件部分之上且具有光学面的光接收元件部分；
至少在所述发光元件部分和所述光接收元件部分的叠层方向射出光，至少在所述光学面上设置光学构件。
2.根据权利要求1所述的光元件，其中所述光接收元件部分的上表面具有所述光学面。
3.根据权利要求1或2所述的光元件，其中，取与所述光学面平行的面切开而获得的所述光学构件的截面是圆或椭圆。
4.根据权利要求3所述的光元件，其中所述的光学面是圆或椭圆，所述光学构件的最大截面直径大于所述光学面的最大直径。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光元件，其中通过施加能量使可固化液体材料固化而形成所述光学构件。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光元件，其中，所述光接收元件部分具有将所述发光元件部分出射的光的一部分转换成电流的功能。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的光元件，所述光接收元件部分具有将从所述光学构件入射到所述光学面上的光转换成流的功能。
8.根据权利要求7所述的光元件，其中所述光接收元件部分的光学膜厚d可用下式(1)表示：
d＝mλ/2                             式(1)
其中，所述发光元件部分的设计波长为λ，m为自然数。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光元件，其中，
所述发光元件部分包括：第一反射镜、在所述第一反射镜的上方设置的活性层、以及在活性层上设置的第二反射镜；所述光接收元件部分包括：接触层、在接触层的上方设置的光吸收层；以及在所述光吸收层的上方设置的第二接触层。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光元件，其中，所述发光元件部分具有面发光型半导体激光器的功能。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的光元件，其中所述光学构件具有透镜的功能。
12.一种光元件的制造方法，包括以下工艺：
形成发光元件部分和具有光学面的光接收元件部分的层压体；
向所述光学面喷吐液滴，形成光学构件的前身；以及使所述光学构件前身固化，形成光学构件。
13.根据权利要求12所述的光元件制造方法，其中所述液滴由通过施加能量可使其固化的液体材料构成。
14.一种光模块，其包括第一光元件、第二光元件和光波导管；
所述第一和第二光元件是权利要求1至11中任一项所述的光元件，从所述第一光元件的光学面射出的光通过所述光波导管传输，并入射到所述第二光元件的光学面上；
从所述第二光元件的光学面射出的光通过所述光波导管传输，并入射到所述第一光元件的光学面。
15.一种光传输装置，包括权利要求14所述的光模块。
16.一种用于驱动光模块的方法，所述光模块包括第一光元件、第二光元件、以及光波导管，所述第一和第二光元件是权利要求1至11中任一项所述的光元件，所述驱动方法包括：
控制所述第一和第二光元件，以使当所述第一光元件处于发光状态时，所述第二光元件变成光接收状态；当所述第一光元件处于光接收状态时，则所述第二光元件变成发光状态。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112151520A (zh) * 2019-06-26 2020-12-29 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 具有单片集成结构的光电收发芯片、其制作方法与应用

Families Citing this family (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7483469B2 (en) 2004-11-01 2009-01-27 Seiko Epson Corporation Surface-emitting type semiconductor laser and its manufacturing method, optical module, and light transmission device
US7860141B2 (en) * 2005-04-28 2010-12-28 Kyoto University Photonic crystal laser
JP4412237B2 (ja) 2005-06-02 2010-02-10 セイコーエプソン株式会社 光素子及びその製造方法
US20070081568A1 (en) * 2005-10-06 2007-04-12 Seiko Epson Corporation Optical semiconductor element and method for manufacturing the same
JP4650631B2 (ja) * 2005-11-30 2011-03-16 ソニー株式会社 半導体発光装置
JP4924172B2 (ja) * 2006-07-14 2012-04-25 セイコーエプソン株式会社 光素子の製造方法および光素子ウェハ
JP4269180B2 (ja) 2006-07-14 2009-05-27 セイコーエプソン株式会社 光素子の製造方法
CN103368062A (zh) * 2012-03-26 2013-10-23 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 晶片封装结构及其封装方法
TWI562485B (en) * 2012-03-26 2016-12-11 Hon Hai Prec Ind Co Ltd Chip package structure and package method for the same
JP6379542B2 (ja) * 2014-03-14 2018-08-29 日亜化学工業株式会社 照明装置
DE102017100997A1 (de) 2017-01-19 2018-07-19 Osram Opto Semiconductors Gmbh Halbleiterlaser und Verfahren zur Herstellung eines solchen Halbleiterlasers
DE102017122325A1 (de) 2017-09-26 2019-03-28 Osram Opto Semiconductors Gmbh Strahlungsemittierendes Halbleiterbauelement und Verfahren zur Herstellung von strahlungsemittierenden Halbleiterbauelementen
KR102393225B1 (ko) * 2020-11-16 2022-05-02 성균관대학교산학협력단 제어 회로 웨이퍼와 결합된 일체형 수발광 소자 및 제조 방법
CN113809639A (zh) * 2021-09-24 2021-12-17 深圳市德明利光电有限公司 Vcsel及控制vcsel发光方向的方法

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS62143486A (ja) 1985-12-18 1987-06-26 Toshiba Corp 面発光型発光素子
JP2875269B2 (ja) * 1989-01-10 1999-03-31 富士通株式会社 光ディスク装置
US5244749A (en) * 1992-08-03 1993-09-14 At&T Bell Laboratories Article comprising an epitaxial multilayer mirror
US5606572A (en) 1994-03-24 1997-02-25 Vixel Corporation Integration of laser with photodiode for feedback control
JPH0964334A (ja) 1995-08-28 1997-03-07 Toshiba Corp 発光素子と外部変調器の集積素子
US5912913A (en) * 1995-12-27 1999-06-15 Hitachi, Ltd. Vertical cavity surface emitting laser, optical transmitter-receiver module using the laser, and parallel processing system using the laser
US6001664A (en) 1996-02-01 1999-12-14 Cielo Communications, Inc. Method for making closely-spaced VCSEL and photodetector on a substrate
JPH10173207A (ja) 1996-10-11 1998-06-26 Sharp Corp 光送受信モジュール
US6026108A (en) * 1996-10-16 2000-02-15 The Regents Of The University Of California Vertical-cavity surface-emitting laser with an intracavity quantum-well optical absorber
KR100234340B1 (ko) 1996-10-29 1999-12-15 윤종용 광출력장치
US5892786A (en) * 1997-03-26 1999-04-06 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force Output control of vertical microcavity light emitting device
JP3948789B2 (ja) * 1997-07-02 2007-07-25 シチズン電子株式会社 赤外線データ通信モジュール
DE19807783A1 (de) 1998-02-18 1999-09-02 Siemens Ag Bauelement mit einem Lichtsender und einem Lichtempfänger
JP2000067449A (ja) 1998-08-18 2000-03-03 Seiko Epson Corp 面発光型半導体レーザおよびその製造方法
US6452669B1 (en) * 1998-08-31 2002-09-17 Digital Optics Corp. Transmission detection for vertical cavity surface emitting laser power monitor and system
JP3778241B2 (ja) * 1998-09-01 2006-05-24 セイコーエプソン株式会社 面発光型半導体レーザおよびその製造方法
JP3606063B2 (ja) 1998-09-21 2005-01-05 セイコーエプソン株式会社 面発光型半導体レーザの製造方法
US6222202B1 (en) * 1998-10-06 2001-04-24 Agilent Technologies, Inc. System and method for the monolithic integration of a light emitting device and a photodetector for low bias voltage operation
JP2000114659A (ja) * 1998-10-06 2000-04-21 Hewlett Packard Co <Hp> 発光素子の光出力を測定するシステム、及びそれに使用される回路
JP2000269585A (ja) 1999-03-11 2000-09-29 Samsung Electronics Co Ltd 面発光レーザーを用いた光送受信モジュール
US6794725B2 (en) * 1999-12-21 2004-09-21 Xerox Corporation Amorphous silicon sensor with micro-spring interconnects for achieving high uniformity in integrated light-emitting sources
US6670599B2 (en) 2000-03-27 2003-12-30 Aegis Semiconductor, Inc. Semitransparent optical detector on a flexible substrate and method of making
JP2001284725A (ja) 2000-03-31 2001-10-12 Seiko Epson Corp 面発光型半導体レーザおよびその製造方法
JP2002169004A (ja) 2000-11-29 2002-06-14 Ind Technol Res Inst バッチ生産マイクロレンズアレイ及びその製造方法
JP3956647B2 (ja) * 2001-05-25 2007-08-08 セイコーエプソン株式会社 面発光レ−ザの製造方法
US6792179B2 (en) * 2002-12-31 2004-09-14 Intel Corporation Optical thumbtack

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112151520A (zh) * 2019-06-26 2020-12-29 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 具有单片集成结构的光电收发芯片、其制作方法与应用
CN112151520B (zh) * 2019-06-26 2022-12-20 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 具有单片集成结构的光电收发芯片、其制作方法与应用

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