JP2005045049A - 光素子およびその製造方法、光モジュール、ならびに光モジュールの駆動方法 - Google Patents

光素子およびその製造方法、光モジュール、ならびに光モジュールの駆動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 発光素子部および受光素子部を含む光素子を提供する。
【解決手段】 本発明の光素子１００は、発光素子部１４０と、発光素子部１４０上に設けられ、光学面１０８を有する受光素子部１２０と、を含む。この光素子１００は、少なくとも発光素子部１４０と受光素子部１２０との積層方向に光を出射する。さらに、少なくとも光学面１０８上に光学部材１６０が設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光素子およびその製造方法、光モジュール、ならびに光モジュールの駆動方法に関する。
光検出部を備えた発光素子（例えば、面発光型半導体レーザ）に関する技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。一般に、発光素子を光通信や光演算、および各種センサの光源として用いる場合、出射光の光学特性、例えば光の放射角や波長などを制御する必要がある。
また、上記発光素子において、光検出部は発光素子上に積層されている。この光検出部は、発光素子で生じた光の一部を受光してその出射光量を検出する。したがって、発光素子にて生じた光を光検出部に取り込むことができるように、光検出部の径は、発光素子の発光領域よりも小さく作成される。
ところで、上記発光素子において、発光素子で生じた光の出力をモニタするために光検出部を用いるかわりに、あるいは発光素子で生じた光の出力をモニタするために光検出部を用いるのに加えて、光検出部を通常の受光素子として用いることができる。この場合、前述したように、光検出部の径は一般に、発光素子の発光領域よりも小さく作成されるため、光検出部の受光面積が小さすぎて十分な感度が得られない場合がある。
特開平１０−１３５５６８号公報
本発明の目的は、発光素子部および受光素子部を含む光素子およびその製造方法を提供することにある。
また、本発明の目的は、前記光素子を含む光モジュールおよびその駆動方法、ならびに前記光素子を含む光伝達装置を提供することにある。
［光素子］
本発明の光素子は、
発光素子部と、
前記発光素子部上に設けられ、光学面を有する受光素子部と、を含み、
少なくとも前記発光素子部と前記受光素子部との積層方向に光を出射し、
少なくとも前記光学面上に光学部材が設けられている。
ここで、「光学部材」とは、光の光学特性や進行方向を変化させる機能を有する部材をいい、「光学特性」とは、例えば、波長、偏光、放射角等が例示できる。このような光学部材としては、例えばレンズまたは偏向素子が例示できる。
また、「光学面」とは、光が通過する面をいう。「光学面」は、本発明の光素子から外部への光の出射面であってもよいし、外部から本発明の光素子への光の入射面であってもよい。また、「外部」とは、本発明の光素子以外の領域をいう。
本発明の光素子によれば、設置位置、形状および大きさが良好に制御された光学部材を含む光素子を得ることができる。詳しくは、本実施の形態の欄で説明する。
上記光素子は、以下の態様（１）〜（８）をとることができる。
（１）前記受光素子部の上面は前記光学面を含むことができる。
（２）前記光学面と平行な面で切断して得られる前記光学部材の断面が円または楕円であることができる。
この場合、前記光学面が円または楕円であり、前記光学部材の断面の最大径を前記光学面の最大径よりも大きくすることができる。ここで、前記光学面が円の場合、最大径は直径であり、前記光学面が楕円の場合、最大径は長軸である。このことは、前記光学部材の断面における最大径についても同様である。
（３）前記光学部材は、エネルギーの付加によって硬化可能な液体材料を硬化させることにより形成されたものであることができる。
（４）前記受光素子部は、前記発光素子部から出射する光の一部を電流に変換する機能を有することができる。
（５）前記受光素子部は、前記光学部材から前記光学面へと入射する光を電流に変換する機能を有することができる。
この場合、前記受光素子部の光学的膜厚ｄは、前記発光素子部の設計波長がλである場合、以下の式（１）で表わすことができる。
ｄ＝ｍλ／２ （ｍは自然数） 式（１）
ここで、「設計波長」とは、前記発光素子部において生じる光のうち強度が最大である光の波長をいう。また、「光学的膜厚」とは、層の実際の膜厚に屈折率を乗じて得られる値をいう。
（６）前記発光素子部は、第１ミラーと、前記第１ミラーの上方に設けられた活性層と、前記活性層の上方に設けられた第２ミラーと、を含み、前記受光素子部は、第１コンタクト層と、前記第１コンタクト層の上方に設けられた光吸収層と、前記光吸収層の上方に設けられた第２コンタクト層と、を含むことができる。
（７）前記発光素子部は、面発光型半導体レーザとして機能することができる。
（８）前記光学部材はレンズとして機能することができる。
［光素子の製造方法］
本発明の光素子の製造方法は、
発光素子部と、光学面を有する受光素子部との積層体を形成し、
前記光学面に対して液滴を吐出して、光学部材前駆体を形成し、
前記光学部材前駆体を硬化させて、光学部材を形成すること、を含む。
本発明の光素子の製造方法によれば、設置位置、形状および大きさが良好に制御された光学部材を含む光素子を形成することができる。詳しくは、本実施の形態の欄で説明する。
上記光素子の製造方法において、前記液滴は、エネルギーの付加によって硬化可能な液体材料からなることができる。
［光モジュールおよび光伝達装置］
本発明の光モジュールは、第１光素子と、第２光素子と、光導波路とを含み、
前記第１および第２光素子は、上記光素子であり、
前記第１光素子の光学面から出射した光は前記光導波路内を伝搬して前記第２光素子の光学面に入射し、前記第２光素子の光学面から出射した光は前期光導波路内を伝搬して前記第１光素子の光学面に入射する。
また、本発明の光伝達装置は、上記光モジュールを含む。
［光モジュールの駆動方法］
本発明の光モジュールの駆動方法は、第１光素子と、第２光素子と、光導波路とを含む光モジュールの駆動方法であって、
前記第１および第２光素子は、上記光素子であり、
前記第１光素子が発光状態であるときに前記第２光素子が受光状態となり、前記第１光素子が受光状態であるときに前記第２光素子が発光状態となるように、前記第１および第２光素子を制御すること、を含む。
なお、本発明において、「受光状態」とは、受光機能を発揮し得る状態のことをいい、本発明の光素子が実際に受光したか否かは問わない。
以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
［第１の実施の形態］
１．光素子の構造
図１は、本発明を適用した第１の実施の形態に係る光素子１００を模式的に示す断面図である。また、図２は、図１に示す光素子１００を模式的に示す平面図である。
本実施の形態の光素子１００は、図１に示すように、発光素子部１４０および受光素子部１２０を含む。本実施の形態においては、発光素子部１４０が面発光型半導体レーザとして機能し、受光素子部１２０が光検出部としての機能を有する場合を示す。
この光素子１００においては、発光素子部１４０と受光素子部１２０との積層方向に光学面１０８からレーザ光を出射することができる。また、少なくとも光学面１０８上には光学部材１６０が設けられている。以下、発光素子部１４０、受光素子部１２０およびその他の構成要素について説明する。
（発光素子部）
発光素子部１４０は、半導体基板（本実施形態ではｎ型ＧａＡｓ基板）１０１上に設けられている。この発光素子部１４０は垂直共振器（以下「共振器」とする）を構成する。また、この発光素子部１４０は、柱状の半導体堆積体（以下「柱状部」とする）１３０を含むことができる。
発光素子部１４０は、例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した４０ペアの分布反射型多層膜ミラー（以下、「第１ミラー」という）１０２、ＧａＡｓウエル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３、およびｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２９．５ペアの分布反射型多層膜ミラー（以下、「第２ミラー」という）１０４が順次積層されて構成されている。なお、第１ミラー１０２、活性層１０３、および第２ミラー１０４を構成する各層の組成および層数はこれに限定されるわけではない。
第２ミラー１０４は、例えばＣがドーピングされることによりｐ型にされ、第１ミラー１０２は、例えばＳｉがドーピングされることによりｎ型にされている。したがって、ｐ型の第２ミラー１０４、不純物がドーピングされていない活性層１０３、およびｎ型の第１ミラー１０２により、ｐｉｎダイオードが形成される。
また、発光素子部１４０のうち光素子１００の第２ミラー１０４から第１ミラー１０２の途中にかけての部分が、第２ミラー１０４の上面１０４ａからみて円形の形状にエッチングされて柱状部１３０が形成されている。なお、本実施の形態では、柱状部１３０の平面形状を円形としたが、この形状は任意の形状をとることができる。
さらに、第２ミラー１０４を構成する層のうち活性層１０３に近い領域に、酸化アルミニウムからなる電流狭窄層１０５が形成されている。この電流狭窄層１０５はリング状に形成されている。すなわち、この電流狭窄層１０５は、図１に示す半導体基板１０１の表面１０１ａと平行な面で切断した場合における断面が同心円状である形状を有する。
また、発光素子部１４０には第１電極１０７および第２電極１０９が設けられている。この第１電極１０７および第２電極１０９は、発光素子部１４０を駆動するために使用される。発光素子１４０の上面１４０ａには、第２電極１０９が設けられている。具体的には、図２に示すように、第１電極１０７および第２電極１０９はリング状の平面形状を有する。すなわち、第１電極１０７は柱状部１３０を取り囲むように設けられ、第２電極１０９は受光素子部１２０を取り囲むように設けられている。言い換えれば、柱状部１３０は第１電極１０７の内側に設けられ、受光素子部１２０は第２電極１０９の内側に設けられている。
なお、本実施の形態では、第１電極１０７が第１ミラー１０２上に設けられている場合について示したが、第１電極１０７を半導体基板１０１の裏面１０１ｂに設けてもよい。このことは、後述する第２および第３の実施の形態の光素子でも同様である。
第１電極１０７は、例えばＡｕとＧｅの合金とＡｕとの積層膜からなる。また、第２電極１０９は、例えばＰｔ、ＴｉおよびＡｕの積層膜からなる。第１電極１０７と第２電極１０９とによって活性層１０３に電流が注入される。なお、第１電極１０７および第２電極１０９を形成するための材料は、前述したものに限定されるわけではなく、例えばＡｕとＺｎとの合金などが利用可能である。
（受光素子部）
受光素子部１２０は発光素子部１４０上に設けられ、光学面１０８を有する。本実施の形態の光素子１００においては、受光素子部１２０の上面は光学面１０８を含んでいる。
また、受光素子部１２０は第１コンタクト層１１１と、光吸収層１１２と、第２コンタクト層１１３とを含む。第１コンタクト層１１１は発光素子部１４０の第２ミラー１０４上に設けられ、光吸収層１１２は第１コンタクト層１１１上に設けられ、第２コンタクト層１１３は光吸収層１１２上に設けられている。さらに、本実施の形態の受光素子部１２０においては、第１コンタクト層１１１の平面形状が光吸収層１１２および第２コンタクト層１１３の平面形状よりも大きい場合が示されている（図１および図２参照）。また、この第１コンタクト層１１１は第２電極１０９および第３電極１１６に接している。第３電極１１６はその一部が第２電極１０９上に形成されている。すなわち、第１コンタクト層１１１はその側面にて第２電極１０９に接し、かつ、その上面にて第３電極１１６に接している。
第１コンタクト層１１１は例えばｎ型ＧａＡｓ層からなり、光吸収層１１２は例えば不純物が導入されていないＧａＡｓ層からなり、第２コンタクト層１１３は例えばｐ型ＧａＡｓ層からなることができる。具体的には、第１コンタクト層１１１は、例えばＣがドーピングされることによりｐ型にされ、第２コンタクト層１１３は、例えばＳｉがドーピングされることによりｎ型にされている。したがって、ｎ型の第１コンタクト層１１１、不純物がドーピングされていない光吸収層１１２、およびｐ型の第２コンタクト層１１３により、ｐｉｎダイオードが形成される。
受光素子部１２０には、第３電極１１６および第４電極１１０が設けられている。この第３電極１１６および第４電極１１０は受光素子部１２０を駆動させるために使用される。また、本実施の形態の光素子１００においては、第３電極１１６は第１電極１０７と同じ材質にて形成することができ、第４電極１１０は第２電極１０９と同じ材質にて形成することができる。
第４電極１１０は受光素子部１２０の上面上（第２コンタクト層１１３上）に設けられている。第４電極１１０には開口部１１４が設けられており、この開口部１１４の底面が光学面１０８である。したがって、開口部１１４の平面形状および大きさを適宜設定することにより、光学面１０８の形状および大きさを適宜設定することができる。本実施の形態においては、図１に示すように、光学面１０８が円形である場合を示す。
（光学部材）
本実施の形態の光素子１００においてはさらに、少なくとも光学面１０８の上には光学部材１６０が設けられている。具体的には、図１に示すように、受光素子部１２０の上面上に光学部材１６０が設けられている。本実施の形態においては、光学部材１６０がレンズとして機能する場合について説明する。この場合、発光素子部１４０で生じた光が光学面１０８から出射した後、光学部材１６０よって集光されてから、外部に放出させることができる。
光学部材１６０は、例えば熱または光等のエネルギーによって硬化可能な液体材料（例えば紫外線硬化型樹脂や熱硬化型樹脂の前駆体）を硬化させることにより形成される。紫外線硬化型樹脂としては、例えば紫外線硬化型のアクリル系樹脂およびエポキシ系樹脂が挙げられる。また、熱硬化型樹脂としては、熱硬化型のポリイミド系樹脂等が例示できる。
紫外線硬化型樹脂の前駆体は、短時間の紫外線照射によって硬化する。このため、熱工程など素子に対するダメージを与えやすい工程を経ずに硬化させることができる。このため、紫外線硬化型樹脂の前駆体を用いて光学部材１６０を形成することにより、素子に対する影響を少なくすることができる。
光学部材１６０は、具体的には、少なくとも光学面１０８（本実施の形態においては、受光素子部１２０の上面）に対して液体材料からなる液滴１６０ａを吐出して、光学部材前駆体１６０ｂを形成した後、この光学部材前駆体１６０ｂを硬化させることによって得られる（図９および図１０参照）。光学部材１６０の形成方法については後述する。
また、光学部材１６０は切断円球状である。光学部材１６０が切断円球状であることにより、光学部材１６０を例えばレンズまたは偏向素子として用いることができる。例えば、受光素子部１２０の上面を円にすることにより、光学部材１６０の立体形状を切断円球状にすることができる。あるいは、受光素子部１２０の上面を楕円にすることにより、光学部材１６０の立体形状を切断楕円球状にすることもできる。
ここで、「切断円球状」とは、円球を一平面で切断して得られる形状をいい、この円球は完全な円球のみならず、円球に近似する形状をも含む。また、「切断楕円球状」とは、楕円球を一平面で切断して得られる形状をいい、この楕円球は完全な楕円球のみならず、楕円球に近似する形状をも含む。
本実施の形態の光素子１００においては、光学面１０８と平行な面で光学部材１６０を切断して得られる断面が円であり、光学面１０８も円である。この場合、図１および図２に示すように、光学面１０８と平行な面で光学部材１６０を切断して得られる断面の最大径ｒ１（直径）を、受光素子部１２０の上面の最大径（直径）ｒ２および光学面１０８の最大径（直径）ｒ３よりも大きくすることができる。
（全体の構成）
本実施の形態の光素子１００においては、発光素子部１４０のｎ型第１ミラー１０２およびｐ型第２ミラー１０４、ならびに受光素子部１２０のｎ型第１コンタクト層１１１およびｐ型第２コンタクト層１１３から、全体としてｎｐｎｐ構造が構成される。なお、上記各層において、ｐ型とｎ型を入れ替えることにより、全体としてｐｎｐｎ構造を構成することもできる。あるいは、図示しないが、発光素子部１４０または受光素子部１２０のいずれか一方において、各層のｐ型とｎ型とを入れ替えることにより、発光素子部１４０および受光素子部１２０が全体としてｎｐｎ構造またはｐｎｐ構造をなすことができる。以上の点は、後述する第２および第３の実施の形態の光素子でも同様に適用される。
受光素子部１２０は、発光素子部１４０で生じた光の出力をモニタする機能を有する。具体的には、受光素子部１２０は、発光素子部１４０で生じた光を電流に変換する。この電流の値によって、発光素子部１４０で生じた光の出力が検知される。
より具体的には、受光素子部１２０において、発光素子部１４０により生じた光の一部が光吸収層１１２にて吸収され、この吸収された光によって、光吸収層１１２において光励起が生じ、電子および正孔が生じる。そして、素子外部から印加された電界により、電子は第３電極１１６に、正孔は第４電極１１０にそれぞれ移動する。その結果、受光素子部１２０において、第１コンタクト層１１１から第２コンタクト層１１３の方向に電流が生じる。
また、発光素子部１４０の光出力は、主として発光素子部１４０に印加するバイアス電圧によって決定される。特に、発光素子部１４０が面発光型半導体レーザである場合、発光素子部１４０の光出力は、発光素子部１４０の周囲温度や発光素子部１４０の寿命によって大きく変化する。このため、発光素子部１４０の光出力をモニタし、受光素子部１２０にて発生した電流の値に基づいて発光素子部１４０に印加する電圧値を調整することによって、発光素子部１４０内を流れる電流の値を調整することにより、発光素子部１４０において所定の光出力を維持することが必要である。発光素子部１４０の光出力を発光素子部１４０に印加する電圧値にフィードバックする制御は、外部電子回路（駆動回路；図示せず）を用いて実施することができる。
なお、本実施の形態においては、光素子１００が面発光型半導体レーザである場合について説明したが、本発明は、面発光型半導体レーザ以外の発光素子にも適用可能である。なお、本発明を適用できる光素子としては、例えば、半導体発光ダイオードなどが挙げられる。このことは、後述する第２〜第４の実施の形態の光素子でも同様に適用される。
２．光素子の動作
本実施の形態の光素子１００の一般的な動作を以下に示す。なお、下記の面発光型半導体レーザの駆動方法は一例であり、本発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の変更が可能である。
まず、第１電極１０７と第２電極１０９とで、ｐｉｎダイオードに順方向の電圧を印加すると、発光素子部１４０の活性層１０３において、電子と正孔との再結合が起こり、前記再結合による発光が生じる。そこで生じた光が第２ミラー１０４と第１ミラー１０２との間を往復する際に誘導放出が起こり、光の強度が増幅される。光利得が光損失を上まわると、レーザ発振が起こり、第２ミラー１０４の上面１０４ａからレーザ光が出射し、受光素子部１２０の第１コンタクト層１１１へと入射する。
次に、受光素子部１２０において、第１コンタクト層１１１に入射した光は、次に光吸収層１１２に入射する。この入射光の一部が光吸収層１１２にて吸収される結果、光吸収層１１２において光励起が生じ、電子および正孔が生じる。そして、素子外部から印加された電界により、電子は第３電極１１６に、正孔は第４電極１１０にそれぞれ移動する。その結果、受光素子部１２０において、第１コンタクト層１１１から第２コンタクト層１１３の方向に電流（光電流）が生じる。この電流の値を測定することにより、発光素子部１４０の光出力を検知することができる。また、受光素子部１２０を通過した光は、光学部材１６０にて放射角が狭められた後に出射される。
３．光素子の製造方法
次に、本発明を適用した第１の実施の形態の光素子１００の製造方法の一例について、図３〜図１０を用いて説明する。図３〜図１０は、図１に示す光素子１００の一製造工程を模式的に示す断面図であり、それぞれ図１に示す断面図に対応している。
（１）まず、ｎ型ＧａＡｓからなる半導体基板１０１の表面１０１ａに、組成を変調させながらエピタキシャル成長させることにより、図３に示すように、半導体多層膜１５０が形成される（図３参照）。ここで、半導体多層膜１５０は例えば、ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した４０ペアの第１ミラー１０２、ＧａＡｓウエル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウエル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２９．５ペアの第２ミラー１０４、ｎ型ＧａＡｓからなる第１コンタクト層１１１、不純物がドーピングされていないＧａＡｓからなる光吸収層１１２、およびｐ型ＧａＡｓからなる第２コンタクト層１１３からなる。これらの層を順に半導体基板１０１上に積層させることにより、半導体多層膜１５０が形成される（図３参照）。
なお、第２ミラー１０４を成長させる際に、活性層１０３近傍の少なくとも１層がＡｌＡｓ層またはＡｌ組成が０．９５以上のＡｌＧａＡｓ層に形成される。この層は後に酸化され、電流狭窄層１０５となる（図７参照）。また、後の工程において第２電極１０９が形成された際に、第２ミラー１０４のうち少なくとも第２電極１０９と接する部分の近傍は、キャリア密度を高くすることにより、第２電極１０９とのオーム性接触をとりやすくしておくのが望ましい。同様に、第１コンタクト層１１１のうち少なくとも第３電極１１６と接する部分の近傍は、キャリア密度を高くすることにより、第３電極１１６とのオーム性接触をとりやすくしておくのが望ましい。
エピタキシャル成長を行なう際の温度は、成長方法や原料、半導体基板１０１の種類、あるいは形成する半導体多層膜１５０の種類、厚さ、およびキャリア密度によって適宜決定されるが、一般に、４５０℃〜８００℃であるのが好ましい。また、エピタキシャル成長を行なう際の所要時間も、温度と同様に適宜決定される。また、エピタキシャル成長させる方法としては、有機金属気相成長（ＭＯＶＰＥ：Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｖａｐｏｒ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法や、ＭＢＥ法（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、あるいはＬＰＥ法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）を用いることができる。
（２）次に、第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２を所定の形状にパターニングする（図４参照）。
まず、半導体多層膜１５０上にフォトレジスト（図示せず）を塗布した後、フォトリソグラフィ法により該フォトレジストをパターニングすることにより、所定のパターンのレジスト層Ｒ１が形成される。
ついで、レジスト層Ｒ１をマスクとして、例えばドライエッチング法により、第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２をエッチングする。これにより、第２コンタクト層１１３と、第２コンタクト層１１３と同じ平面形状を有する光吸収層１１２とが形成される。その後、レジスト層Ｒ１が除去される。
（３）次いで、第１コンタクト層１１１を所定の形状にパターニングする（図５参照）。具体的には、まず、第１コンタクト層１１１上にフォトレジスト（図示せず）を塗布した後、フォトリソグラフィ法により該フォトレジストをパターニングすることにより、所定のパターンのレジスト層Ｒ２が形成される（図５参照）。
次いで、レジスト層Ｒ２をマスクとして、例えばドライエッチング法により、第１コンタクト層１１１をエッチングする。これにより、図７に示すように、受光素子部１２０が形成される。その後、レジスト層Ｒ２が除去される。この受光素子部１２０は、第２コンタクト層１１３、光吸収層１１２および第１コンタクト層１１１を含む。また、第１コンタクト層１１１の平面形状は、第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２の平面形状よりも大きく形成することができる。
上記工程では、第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２をパターニングした後、第１コンタクト層１１１をパターニングする場合について説明したが、第１コンタクト層１１１をパターニングした後、第２コンタクト層１１３および光吸収層１１２をパターニングしてもよい。
（４）次いで、パターニングにより、柱状部１３０を含む発光素子部１４０が形成される（図６参照）。具体的には、まず、第２ミラー１０４上にフォトレジスト（図示せず）を塗布した後、フォトリソグラフィ法により該フォトレジストをパターニングすることにより、所定のパターンのレジスト層Ｒ３が形成される（図６参照）。
次いで、レジスト層Ｒ３をマスクとして、例えばドライエッチング法により、第２ミラー１０４、活性層１０３、および第１ミラー１０２の一部をエッチングする。これにより、図６に示すように、柱状部１３０が形成される。以上の工程により、半導体基板１０１上に、柱状部１３０を含む共振器（発光素子部１４０）が形成される。すなわち、発光素子部１４０と受光素子部１２０との積層体が形成される。その後、レジスト層Ｒ３が除去される。
なお、本実施の形態においては前述したように、受光素子部１２０をまず形成した後に柱状部１３０を形成する場合について説明したが、柱状部１３０を形成した後に受光素子部１２０を形成してもよい。
（５）続いて、例えば４００℃程度の水蒸気雰囲気中に、上記工程によって柱状部１３０が形成された半導体基板１０１を投入することにより、前述の第２ミラー１０４中のＡｌ組成が高い層を側面から酸化して、電流狭窄層１０５が形成される（図７参照）。
酸化レートは、炉の温度、水蒸気の供給量、酸化すべき層（前記Ａｌ組成が高い層）のＡｌ組成および膜厚に依存する。酸化により形成される電流狭窄層を備えた面発光レーザでは、駆動する際に、電流狭窄層が形成されていない部分（酸化されていない部分）のみに電流が流れる。したがって、酸化によって電流狭窄層を形成する工程において、形成する電流狭窄層１０５の範囲を制御することにより、電流密度の制御が可能となる。
また、発光素子部１４０から出射する光の大部分が第１コンタクト層１１１に入射するように、電流狭窄層１０５の径を調整することが望ましい。
（６）次いで、第２ミラー１０４の上面１０４ａ上に第２電極１０９が形成され、受光素子部１２０の上面（第２コンタクト層１１３の上面１１３ａ）上に第４電極１１０が形成される（図８参照）。
まず、第２電極１０９および第４電極１１０を形成する前に、必要に応じて、プラズマ処理法等を用いて、第２ミラー１０４の上面１０４ａおよび第２コンタクト層１１３の上面１１３ａを洗浄する。これにより、より安定した特性の素子を形成することができる。
次いで、例えば真空蒸着法により、例えばＰｔ、ＴｉおよびＡｕの積層膜（図示せず）を形成する。次いで、リフトオフ法により、所定の位置以外の積層膜を除去することにより、第２電極１０９および第４電極１１０が形成される。この際、第２コンタクト層１１３の上面１１３ａに、前記積層膜が形成されていない部分が形成される。この部分が開口部１１４となり、開口部１１４の底面が光学面１０８となる。なお、上記工程において、リフトオフ法のかわりにドライエッチング法を用いることもできる。また、前記工程においては、第２電極１０９および第４電極１１０を同時にパターニングしているが、第２電極１０９および第４電極１１０を個々に形成してもかまわない。
（７）次に、同様の方法で、例えばＡｕとＧｅの合金とＡｕとの積層膜をパターニングすることで、発光素子部１４０の第１ミラー１０２上に第１電極１０７が形成され、受光素子部１２０の第１コンタクト層１１１上に第３電極１１６が形成される（図９参照）。次いで、アニール処理を行なう。アニール処理の温度は電極材料に依存する。本実施形態で用いる電極材料の場合は、通常４００℃前後で行なう。以上の工程により、第１電極１０７および第３電極１１６が形成される（図９参照）。また、第１電極１０７および第３電極１１６を同時にパターニングして形成してもよいし、あるいは第１電極１０７および第３電極１１６を個々に形成してもかまわない。
以上の工程により、発光素子部１４０および受光素子部１２０を含む光素子１００が得られる（図９参照）。
（８）次いで、受光素子部１２０の上面上に光学部材１６０が形成される（図９および図１０参照）。本実施の形態においては、光学部材１６０（図１参照）の一部が光学面１０８上に形成され、光学部材１６０の他の部分が第４電極１１０を介して受光素子部１２０の上面上に形成される場合について示す。
まず、必要に応じて、受光素子部１２０の上面（第２コンタクト層１１３の表面および光学面１０８）に、光学部材１６０の濡れ角を調整するための処理を施す。この工程によれば、後述する工程において、受光素子部１２０の上面上に液体材料を導入した場合、所望の形状の光学部材前駆体１６０ｂを得ることができ、その結果、所望の形状の光学部材１６０を得ることができる（図９および図１０参照）。
次いで、例えばインクジェット法を用いて、液体材料の液滴１６０ａを、光学面１０８に向けて吐出する。インクジェットの吐出方法としては、例えば、（ｉ）熱により液体（ここではレンズ材）中の気泡の大きさを変化させることで圧力を生じ、液体を吐出する方法、（ii）圧電素子により生じた圧力によって液体を吐出させる方法とがある。圧力の制御性の観点からは、前記（ii）の方法が望ましい。
インクジェットヘッドのノズルの位置と、液滴の吐出位置とのアライメントは、一般的な半導体集積回路の製造工程における露光工程や検査工程で用いられる公知の画像認識技術を用いて行なわれる。例えば、図９に示すように、インクジェットヘッド１８０のノズル１７０の位置と、光学面１０８の位置とのアライメントを行なう。アライメント後、インクジェットヘッド１８０に印加する電圧を制御して、液体材料の液滴１６０ａを吐出する。これにより、図９に示すように、受光素子部１２０の上面上に光学部材前駆体１６０ｂを形成する。
この場合、図９に示すように、ノズル１７０から吐出された液滴１６０ａが受光素子部１２０の上面に着弾した際に、表面張力によって液体材料１６０ｂが変形して、液体材料１６０ｂが受光素子部１２０の上面の中心にくる。これにより、自動的に位置の補正がなされる。
また、この場合、光学部材前駆体１６０ｂ（図１０参照）は、受光素子部１２０の上面の形状および大きさ、液滴１６０ａの吐出量、液滴１６０ａの表面張力、ならびに受光素子部１２０の上面と液滴１６０ａとの間の界面張力に応じた形状および大きさとなる。したがって、これらを制御することにより、最終的に得られる光学部材１６０（図１参照）の形状および大きさを制御することが可能となり、レンズ設計の自由度が高くなる。
以上の工程を行なった後、図１０に示すように、エネルギー線（例えば紫外線）１１５を照射することにより、光学部材前駆体１６０ｂを硬化させて、受光素子部１２０の上面上に光学部材１６０を形成する（図１参照）。ここで、最適な紫外線の波長および照射量は、光学部材前駆体１６０ｂの材質に依存する。例えば、アクリル系紫外線硬化樹脂の前駆体を用いて光学部材前駆体１６０ｂを形成した場合、波長３５０ｎｍ程度、強度１０ｍＷの紫外線を５分間照射することで硬化を行なう。以上の工程により、図１に示すように、本実施の形態の光素子１００が得られる。
４．作用効果
本実施の形態に係る受光素子１００は、以下に示す作用および効果を有する。
（Ａ）第１に、少なくとも光学面１０８上に光学部材１６０が設けられていることにより、発光素子部１４０において生じた光の放射角を調整した後、外部に放出させることができる。例えば、光学部材１６０が設置されていることにより、発光素子部１４０で生じた光の放射角を狭めることができる。これにより、本実施の形態の光素子１００から出射する光を例えば光ファイバ等の光導波路に導入する場合、前記光導波路へと前記光を導入するのが容易となる。
（Ｂ）第２に、光学部材１６０の大きさおよび形状を厳密に制御することができる。光学部材１６０を形成するためには、前記（８）の工程にて説明したように、光学部材１６０を形成する工程において、光学部材前駆体１６０ｂが受光素子部１２０の上面上に形成される（図８および図９参照）。ここで、受光素子部１２０の側壁が光学部材前駆体１６０ｂを構成する液体材料で濡れない限り、光学部材前駆体１６０ｂには前記液体材料の表面張力が主に作用する。したがって、光学部材１６０を形成するために用いる前記液体材料（液滴１６０ａ）の量を制御することにより、光学部材前駆体１６０ｂの形状を制御することができる。これにより、形状がより厳密に制御された光学部材１６０を形成することができる。その結果、所望の形状および大きさを有する光学部材１６０を得ることができる。
（Ｃ）第３に、光学部材１６０の設置位置を厳密に制御することができる。前述したように、光学部材１６０は、受光素子部１２０の上面に対して液体材料の液滴１６０ａを吐出して光学部材前駆体１６０ｂを形成した後、光学部材前駆体１６０ｂを硬化させることにより形成される（図９および図１０参照）。一般に、吐出された液滴の着弾位置を厳密に制御するのは難しい。しかしながら、この方法によれば、特に位置合わせを行なうことなく受光素子部１２０の上面上に光学部材１６０を形成することができる。すなわち、受光素子部１２０の上面に対して単に液滴１６０ａを吐出することによって、位置合わせを行なうことなく光学部材前駆体１６０ｂを形成することができる。これにより、設置位置が制御された光学部材１６０を簡易かつ歩留まり良く形成することができる。
特に、インクジェット法を用いて液滴１６０ｂを吐出する場合、液滴１６０ａをより的確な位置に吐出することができるため、設置位置がより制御された光学部材１６０を簡易かつ歩留まり良く形成することができる。また、インクジェット法を用いて液滴１６０ａを吐出することにより、吐出する液滴１６０ａの量を、ピコリットルオーダーの単位で制御することができるため、微細な構造を正確に作成することができる。
（Ｄ）第４に、発光素子部１４０の光出力の一部を受光素子部１２０でモニタして駆動回路にフィードバックすることで、温度等による出力変動を補正することができるため、安定した光出力を得ることができる。
［第２の実施の形態］
１．光素子の構造
図１１は、本発明を適用した第２の実施の形態に係る光素子２００を模式的に示す断面図である。なお、本実施の形態においては、第１の実施の形態と同様に、発光素子部２４０が面発光型半導体レーザとして機能し、受光素子部２２０が光検出部としての機能を有する場合を示す。
本実施の形態に係る光素子２００は、受光素子部２２０および発光素子部２４０がこの順に半導体基板２０１上に積層されている点で、第１の実施の形態の光素子１００とは異なる構成を有する。なお、本実施の形態の光素子２００において、第１の実施の形態に係る光素子１００の構成要素「１ＸＸ」と類似する構成要素を「２ＸＸ」と示す。すなわち、「２ＸＸ」は、第１の実施の形態の光素子１００の「１ＸＸ」と同様の構成要素を表しており、基本的に同様の材質からなるため、その詳細な説明については省略するものとする。
本実施の形態の光素子２００は、半導体基板２０１上に設けられた受光素子部２２０と、受光素子部２２０上に設けられた発光素子部２４０とを含む。この光素子２００は、発光素子部２４０と受光素子部２２０との積層方向に光を出射することができる。
受光素子部２２０は、第２コンタクト層２１３と、光吸収層２１２と、第１コンタクト層２１１とを含む。ｐ型の第２コンタクト層２１３、光吸収層２１２、およびｎ型の第１コンタクト層２１１はこの順に、ｐ型ＧａＡｓからなる半導体基板２０１上に積層されている。第２コンタクト層２１３、光吸収層２１２、および第１コンタクト層２１１はそれぞれ、第１の実施の形態の第２コンタクト層１１３、光吸収層１１２、および第１コンタクト層１１１と同じ材質から形成することができる。
発光素子部２４０は、第２ミラー２０４と、活性層２０３と、第１ミラー２０２とを含む。ｐ型の第２ミラー２０４、活性層２０３、およびｎ型の第１ミラー２０２はこの順に受光素子部２２０上に積層されている。第２ミラー２０４、活性層２０３、および第１ミラー２０２は、第１の実施の形態の第２ミラー１０４、活性層１０３、および第１ミラー１０２と同じ材質から形成することができる。また、第２ミラー２０４には、第１の実施の形態の第２ミラー１０４と同様に、電流狭窄層２０５が設けられている。
本実施の形態の光素子２００はまた、第１電極２０７、第２電極２０９、第３電極２１６、および第４電極２１０を含む。第１電極２０７および第２電極２０９は発光素子部２４０を駆動させるために用いられる。また、第３電極２１６および第４電極２１０は受光素子部２２０を駆動させるために用いられる。第１電極２０７は第１ミラー２０２上に設けられている。第２電極２０９および第３電極２１６は第１コンタクト層２１１上に設けられている。第４電極２１０は第２コンタクト層２１３上に設けられている。第２電極２０９、第３電極２１６、および第４電極２１０はリング状の平面形状を有する。第２電極２０９は発光素子部２４０を取り囲むように設けられ、第３電極２１６および第４電極２１０は受光素子部２２０を取り囲むように設けられている。具体的には、発光素子部２４０は第２電極２０９の内側に設けられ、受光素子部２２０は第４電極２１０の内側に設けられている。また、第２電極２０９は第２ミラー２０４の側面に接している。第２電極２０９の一部は第３電極２１６上に設けられている。
また、本実施の形態の光素子２００においては、受光素子部２２０において光学部材２６０と接している側を上面、発光素子部２４０と接している側を下面とした場合、受光素子部２２０の上面に光学面２０８が設けられている。具体的には、半導体基板２０１を貫通する開口部２１４が半導体基板２０１に設けられており、この開口部２１４の底面が光学面２０８となっている。また、この光学面２０８の上には光学部材２６０が設けられている。この光学部材２６０は開口部２１４内に埋め込まれている。
２．光素子の動作
本実施の形態の光素子２００は、半導体基板２０１上での発光素子部２４０および受光素子部２２０の積層順が、第１の実施の形態の光素子１００と逆である。しかしながら、本実施の形態の光素子２００の基本的な動作は、第１の実施の形態の光素子１００と同様であるため、詳しい説明は省略する。
すなわち、本実施の形態の光素子２００においては、発光素子部２４０で生じた光の一部は受光素子部２２０を通過して光学面２０８から出射し、光学部材２６０によって放射角が狭められた後、外部へと放出される。ここで、発光素子部２４０で生じた光の一部が受光素子部２２０の光吸収層２１２によって吸収されて、電流へと変換されることにより、発光素子部２４０で生じた光出力が検知される。
３．作用効果
本実施の形態に係る光素子２００は、第１の実施の形態に係る光素子１００と実質的に同じ作用および効果を有する。さらに、本実施の形態に係る光素子２００においては、光学部材２６０が開口部２１４内に設けられているため、光学部材２６０を光学面２０８上に安定して設置することができる。
また、光学部材２６０は開口部２１４内に液滴を吐出して光学部材前駆体（図示せず）を形成し、この光学部材前駆体を硬化させることにより形成される。このため、開口部２１４の形状および大きさを調整することにより、光学部材２６０を所望の形状および大きさにすることができる。
［第３の実施の形態］
１．光素子の構造
図１２は、本発明を適用した第３の実施の形態に係る光素子３００を模式的に示す断面図である。また、図１３は、図１２に示す光素子３００を模式的に示す平面図である。なお、本実施の形態においては、第１および第２の実施の形態と同様に、光素子として面発光型半導体レーザを用いた場合について説明する。
本実施の形態に係る光素子３００は、第１の実施の形態の光素子１００と同様の構造を有する。このため、第１の実施の形態に係る光素子１００と実質的に同じ構成要素には同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
本実施の形態の光素子３００は、受光素子部１２０がさらに、外部から光学部材１６０を経て光学面１０８に入射した光を吸収して電流に変換する機能を有する。受光素子部１２０の光学的膜厚ｄは、発光素子部の設計波長がλである場合、以下の式（１）で表される。
ｄ＝ｍλ／２ （ｍは自然数） 式（１）
本実施の形態の光素子３００において、受光素子部１２０の光学的膜厚ｄは、図１２に示すように、第１コンタクト層１１１の光学的膜厚、光吸収層１１２の光学的膜厚、および第２コンタクト層１１３の光学的膜厚を合計した値である。また、光学的膜厚は、層の実際の膜厚に屈折率を乗じて得られる値であることから、例えば、光の波長がλであって、光学的膜厚がλ／４、屈折率ｎが２．０である層の場合、この層の実際の膜厚は、光学的膜厚／屈折率ｎと等しいことから、λ／４／２．０＝０．１２５λである。なお、本出願において、単に「膜厚」というときは、層の実際の膜厚をいうものとする。
受光素子部１２０の光学的膜厚ｄが上記式（１）を満たす値に設定されていることにより、受光素子部１２０の光吸収層１１２に特定波長の光を効率よく吸収させることができる。
本実施の形態の光素子３００において、発光素子部１４０の設計波長λが８５０ｎｍであり、受光素子部１２０の光学的膜厚ｄが２λであり、かつ、発光素子部１４０の第２ミラー１０４が、光学的膜厚がλ／４のｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層と、光学的膜厚がλ／４のｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とが交互に２９．５ペア積層されて構成されている場合において、光学面１０８から受光素子部１２０に入射した光が受光素子部１２０内で反射する割合（反射率）と、活性層１０３から第２ミラー１０４に入射した光が第２ミラー１０４内で反射する割合（反射率）とを図１４に示す。なお、図１４では、光学面１０８から受光素子部１２０に入射した光の反射率が実線で、活性層１０３から第２ミラー１０４に入射した光の反射率が破線でそれぞれ示されている。
図１４によれば、活性層１０３から第２ミラー１０４に設計波長λの光が入射した場合、前記光の反射率がほぼ１００％に近い値であるのに対して、光学面１０８から受光素子部１２０に設計波長λの光が入射した場合、前記光の反射率はほぼ０％である。したがって、光学面１０８から受光素子部１２０に設計波長λの光が入射した場合、前記光のうちほとんどが受光素子部１２０で吸収されるといえる。
以上の結果より、この光素子３００によれば、受光素子部１２０の光学的膜厚ｄを式（１）を満たす値に設定することにより、発光素子部１４０の構造を変えずに光吸収層１１２にて光を効率よく吸収させることができる。したがって、発光素子部１４０の特性を劣化させることなく、外部から光学面１０８へと入射した光を受光素子部１２０の光吸収層１１２に効率よく導入することができる。
なお、第２の実施の形態の光素子２００においても、本実施の形態の光素子３００と同様に、受光素子部が外部からの入射光を電流へと変換する機能を有していてもよい。この場合においても、受光素子部の光学的膜厚を式（１）を満たす値にすることにより、本実施の形態の光素子３００と同様の作用効果を奏することができる。
２．光素子の動作
本実施の形態の光素子３００においては、前述したように、受光素子部１２０が外部からの光を吸収し、電流へと変換する。この場合、まず、外部からの光が光学部材１６０に入射した後、光学面１０８から受光素子部１２０へと前記光が入射する。前記光は光吸収層１１２によって吸収され、電流へと変換される。ここで得られた電流の値から、外部から入射した光量を検知することができる。一方、発光素子１２０で生じた後受光素子部１２０を通過した光は、光学部材１６０にて放射角が狭められた後に出射される。なお、上記の点以外の動作は、第１の実施の形態の光素子１００と基本的に同様であるため、詳しい説明は省略する。
３．作用効果
本実施の形態に係る光素子３００およびその製造方法は、第１の実施の形態に係る光素子１００およびその製造方法と実質的に同じ作用および効果を有する。
さらに、本実施の形態の光素子３００によれば、受光素子部１２０が外部からの光を吸収し、電流へと変換する。この場合、光学面１０８上に光学部材１６０が設けられていることにより、広範囲の光を光学面１０８へと入射させることができる。
この光学部材１６０は、受光素子部１２０の上面に対して液滴を吐出して光学部材前駆体１６０ｂを形成し、この光学部材前駆体１６０ｂを硬化させることにより形成される。このため、図１２および図１３に示すように、光学部材１６０の断面の最大径ｒ１を受光素子部１２０の上面の径ｒ２よりも大きくすることができる。これにより、光学部材１６０の径をより大きくすることができるため、より広範囲の光を光学面１０８へと入射させることができる。
また、本実施の形態の光素子３００においては、発光素子部１４０に設けられた第１および第２電極１０７，１０９がリング状の平面形状を有する（図１３参照）。発光素子部１４０が面発光型半導体レーザとして機能する場合、第１および第２電極１０７，１０９がリング状の平面形状であることにより、発光素子部１４０内に均一に電流を流すことができる。
一方、第１および第２電極１０７，１０９、ならびに柱状部１３０および受光素子部１２０は、それぞれの断面が同心円状に位置する。より具体的には、第１電極１０７の内側には柱状部１３０および第２電極１０９が設けられ、受光素子部１２０は第２電極１０９の内側に設けられている。このため、図１２に示すように、受光素子部１２０の上面に設けられた光学面１０８は、発光素子部１４０の断面よりも小さい。このため、外部からの光を光学面１０８から取り込みにくい。
しかしながら、本実施の形態の光素子３００においては、光学面１０８上に光学部材１６０が設けられていることにより、外部からの光を光学面１０８から容易に取り込むことができる。これにより、第１および第２電極１０７，１０９がリング状であっても、光学面１０８から光を効率よく取り込むことができる。
［第４の実施の形態］
図１５は、本発明を適用した第４の実施の形態の光モジュール５００を模式的に示す図である。この光モジュール５００は、光素子４００（第１光素子４００ａ，第２光素子４００ｂ）と、半導体チップ２０と、光導波路（光ファイバ３０）とを含む。光素子４００は、第３の実施の形態の光素子３００と同様に、受光素子部３２０が、発光素子部３４０から光学面３０８へと入射する光を電流に変換する機能と、光学部材３６０から光学面３０８へと入射する光を電流に変換する機能とを有する。以下、第１光素子４００ａおよび第２光素子４００ｂの共通の構造または機能に関する記載については、「４００」として説明する。
なお、本実施の形態の光モジュール５００において、光素子４００のかわりに、第３の実施の形態の光素子３００を用いた場合においても同様の作用および効果を奏することができる。このことは、後述する第５および第６の実施形態においても同様である。
１．光モジュールの構造
光モジュール５００においては、図１５に示すように、光ファイバ３０の端面３０ａ，３０ｂにそれぞれ第１および第２光素子４００ａ，４００ｂが設けられている。この第１および第２光素子４００ａ，４００ｂは同じ構造を有する。第１および第２光素子４００はそれぞれ、発光素子部３４０および受光素子部３２０を含む。発光素子部３４０および受光素子部３２０を構成する各層は、電極の設置位置を除いて、図１に示す光素子１００の発光素子部１４０および受光素子部１２０とほぼ同様の構成を有する。なお、図１５においては、発光素子部３４０および受光素子部３２０を構成する各層の表示が省略されている。
図１５に示す光素子４００においては、第１電極３０７および第２電極３０９が発光素子部３４０を駆動させるために機能し、第２電極３０９および第４電極３１０が受光素子部３２０を駆動させるために機能する。また、第４電極３１０のうち受光素子部３２０上に位置する領域の一部に開口部３１４が設けられている。この開口部３１４の底面が光学面３０８である。
さらに、光学面３０８の上には光学部材３６０が設けられている。この光学部材３６０は、図１に示す光素子１００の光学部材１６０と同様の材質からなり、かつ、同様の方法により形成することができる。第１〜第４電極３０７，３０９，３１６，３１０はそれぞれ、一部が絶縁層３０６上に設けられている。絶縁層３０６は例えば、ポリイミド樹脂、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、またはエポキシ樹脂等の樹脂、あるいは窒化シリコン、酸化シリコン、酸化窒化シリコン等の絶縁材料であることが望ましい。
第１および第２光素子４００ａ，４００ｂはそれぞれ、受光素子または発光素子として機能する。この光モジュール５００では双方向通信が可能である。第１光素子４００ａが発光素子として機能し、第２光素子４００ｂが受光素子として機能する場合、第１光素子４００ａの発光素子部３４０にて生じた光が光学面３０８を出射して光学部材３６０に入射した後、光学部材３６０にて前記光が集光される。その後、光学部材３６０から出射した前記光は、光ファイバ３０の端面３０ａに入射する。この入射光は光ファイバ３０内を伝搬して端面３０ｂから出射し、光学部材３６０を経て第２光素子４００ｂの光学面３０８に入射した後、第２光素子４００ｂの受光素子部３２０にて吸収される。
あるいは、第１光素子４００ａが受光素子として機能し、第２光素子４００ｂが受光素子として機能する場合、第２光素子４００ｂの発光素子部３４０にて生じた光が光学面３０８を出射した後、光学部材３６０にて前記光が集光される。その後、光学部材３６０から出射した前記光は、光ファイバ３０の端面３０ｂに入射する。この入射光は光ファイバ３０内を伝搬して端面３０ａから出射し、光学部材３６０を経て第１光素子４００ａの光学面３０８に入射した後、第１光素子４００ａの受光素子部３２０にて吸収される。
第１光素子４００ａは、光ファイバ３０の端面３０ａとの相対的な位置が固定された状態となっており、第２光素子４００ｂは、光ファイバ３０の端面３０ｂとの相対的な位置が固定された状態となっている。また、第１光素子４００ａの光学面３０８は光ファイバ３０の端面３０ａと対向しており、第２光素子４００ｂの光学面３０８は光ファイバ３０の端面３０ｂと対向している。
半導体チップ２０は、光素子４００を駆動するために設置されている。すなわち、半導体チップ２０には、光素子４００を駆動するための回路が内蔵されている。半導体チップ２０上には、内部の回路に電気的に接続された複数の配線パターン２４，３４，６４が設けられている。
半導体チップ２０と光素子４００とは電気的に接続されている。例えば、第１電極３０７と配線パターン２４とがハンダ２６を介して電気的に接続されている。また、第２電極３０９と配線パターン６４とがハンダ２６を介して電気的に接続されている。さらに、第４電極３１０と配線パターン３４とがハンダ２６を介して電気的に接続されている。
光素子４００は、半導体チップ２０に対してフェースダウン実装させることができる。こうすることで、ハンダ２６によって電気的な接続を行えるのみならず、光素子４００と半導体チップ２０とを固定することができる。なお、上記各電極と配線パターンとの接続に、ハンダ２６を用いるかわりに、ワイヤを使用したり、あるいは導電ペーストを用いてもよい。
また、図１５に示すように、光素子４００と半導体チップ２０との間を、樹脂５６を用いて固定することができる。すなわち、樹脂５６は光素子４００と半導体チップ２０との接合状態を保持する機能を有する。この場合、図１５に示すように、樹脂５６が光学部材３１１を覆わないようにすることにより、光学部材３１１とその周囲との屈折率の差を確保することができる。これにより、光学部材３１１の集光機能を担保することができる。
半導体チップ２０には、穴（例えば貫通穴）２８が設けられている。光ファイバ３０はこの穴２８に挿入されている。この穴２８は、内部の回路を避けて、半導体チップ２０の配線パターン２４，３４，６４が設置されている面からその反対側の面に至るまで設けられている。なお、穴２８の少なくとも一方の開口端部に、テーパ（図示せず）を設けてもよい。テーパを形成することで、穴２８に光ファイバ３０を挿入しやすくなる。
２．光モジュールの駆動方法
次に、図１５に示す光モジュール５００の駆動方法について、図１６を参照して説明する。図１６は、図１５に示す光素子４００の駆動回路（要部）の一例を模式的に示す図である。
図１５に示す光モジュール５００では、第１光素子４００ａと第２光素子４００ｂとの間において、時分割によって光送信と光受信とを切り替えるように制御が行なわれる。前述したように、第１光素子４００ａが発光素子として機能するときは、第１光素子４００ａで発生した光を第２光素子４００ｂが受光するように制御が行なわれ、第２光素子４００ｂが発光素子として機能するときは、第２光素子４００ｂで発生した光を第１光素子４００ａが受光するように制御が行なわれる。また、時分割は、ドライバＩＣ４０およびスイッチング回路４２にそれぞれ入力されるクロック５４，５５によって制御される。
光素子４００の駆動回路は、図１６に示すように、ドライバＩＣ４０と、スイッチング回路４２と、トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）４４とを含む。図１６に示す駆動回路は１つの光素子４００毎に設置される。また、光素子４００においては、発光素子部３４０および受光素子部３２０に同じ方向にバイアスを印加することができる。
ドライバＩＣ４０は光素子４００の発光素子部３４０の一方の電極と電気的に接続され、スイッチング回路４２は光素子４００の受光素子部３２０の一方の電極と電気的に接続されている。一方、図１６に示すように、発光素子部３４０の他方の電極および受光素子部３２０の他方の電極は接地されている。さらに、受光素子部３２０の一方の電極に逆バイアスが印加される。ＴＩＡ４４はスイッチング回路４２に電気的に接続されている。
ドライバＩＣ４０は、光素子４００の発光素子部３４０を駆動させるために設けられている。具体的には、送信信号５８がドライバＩＣ４０に入力されている間は、発光素子部３４０で生じた光が出射する。また、発光素子部３４０が駆動している間、受光素子部３２０は、発光素子部３４０で生じた光の出力をモニタすることができる。以下、図１６を参照しながら、発光素子部３４０の駆動時における回路の動作をより具体的に説明する。まず、送信信号５８がドライバＩＣ４０に入力されると、ドライバＩＣ５０は発光素子部３４０の駆動を開始する。そして、送信信号５８がドライバＩＣ４０に入力されている間、受光素子部３２０によって、発光素子部３４０で生じた光の出力が検知される。検知された光出力は、スイッチング回路４２により、ＡＰＣ入力５２としてドライバＩＣ４０へと入力される。
一方、送信信号５８がドライバＩＣ４０に入力されていない間は、光ファイバ３０の端面３０ａから出射された光が、光学部材１６０を経て光素子４００の光学面１０８に入射する。具体的には、光素子４００に送信信号５８が入力されていない間は、スイッチング回路４２はＴＩＡ４４側に切り替わる（図１６参照）。このＴＩＡ４４は受信信号５０を増幅する機能を有する。
以上に説明したように、本実施の形態の光モジュール５００においては、第１光素子４００ａが発光状態であるときに第２光素子４００ｂが受光状態となり、第１光素子４００ａが受光状態であるときに第２光素子４００ｂが発光状態となるように、第１および第２光素子４００ａ，４００ｂを時分割により制御することができる。
［第５の実施の形態］
図１７は、本発明を適用した第５の実施の形態の光伝達装置を示す図である。光伝達装置９０は、コンピュータ、ディスプレイ、記憶装置、プリンタ等の電子機器９２を相互に接続するものである。電子機器９２は、情報通信機器であってもよい。光伝達装置９０は、ケーブル９４の両端にプラグ９６が設けられたものであってもよい。ケーブル９４は、光ファイバ３０（図１５参照）を含む。プラグ９６は、光素子４００（４００ａ，４００ｂ）および半導体チップ２０を内蔵する。なお、光ファイバ３０はケーブル９４に内蔵され、光素子４００および半導体チップ２０はプラグ９６に内蔵されているため、図１７には図示されていない。光ファイバ３０と光素子４００との取り付け状態は、第４の実施の形態にて説明した通りである。
光ファイバ３０の両端部にはそれぞれ、第４の実施の形態の光素子４００ａ，４００ｂが設けられている。光ファイバ３０の一方の端部に設置された光素子４００ａが受光素子として機能する場合、この光素子４００ａの受光素子部１２０において、光信号を電気信号に変換した後、この電気信号を電子機器９２に入力する。この場合、光ファイバ３０の他方の端部に設置された光素子４００ｂは発光素子として機能する。すなわち、この光素子４００ｂの発光素子部１４０において、電子機器９２から出力された電気信号が光信号に変換される。この光信号は光ファイバ３０を伝わり、受光素子として機能する光素子４００ａに入力される。
以上説明したように、本実施の形態の光伝達装置９０によれば、光信号によって、電子機器９２間の情報伝達を行うことができる。
［第６の実施の形態］
図１８は、本発明を適用した第６の実施の形態の光伝達装置の使用形態を示す図である。光伝達装置９０は、電子機器８０間に接続されている。電子機器８０として、液晶表示モニタまたはディジタル対応のＣＲＴ（金融、通信販売、医療、教育の分野で使用されることがある。）、液晶プロジェクタ、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、ディジタルＴＶ、小売店のレジ（ＰＯＳ（Point of Sale Scanning）用）、ビデオ、チューナー、ゲーム装置、プリンタ等が挙げられる。
本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および結果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
例えば、上記実施の形態の光素子では、発光素子部が柱状部を一つ有する場合について説明したが、発光素子部に柱状部が複数個設けられていても本発明の形態は損なわれない。また、複数の光素子がアレイ化されている場合でも、同様の作用および効果を有する。
また、例えば、上記実施の形態において、各半導体層におけるｐ型とｎ型とを入れ替えても本発明の趣旨を逸脱するものではない。上記実施の形態では、ＡｌＧａＡｓ系のものについて説明したが、発振波長に応じてその他の材料系、例えば、ＧａＩｎＰ系、ＺｎＳＳｅ系、ＩｎＧａＮ系、ＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＡｓＳｂ系の半導体材料を用いることも可能である。
本発明の第１の実施の形態の光素子を模式的に示す断面図である。 図１に示す光素子を模式的に示す平面図である。 図１に示す光素子の一製造工程を模式的に示す断面図である。 図１に示す光素子の一製造工程を模式的に示す断面図である。 図１に示す光素子の一製造工程を模式的に示す断面図である。 図１に示す光素子の一製造工程を模式的に示す断面図である。 図１に示す光素子の一製造工程を模式的に示す断面図である。 図１に示す光素子の一製造工程を模式的に示す断面図である。 図１に示す光素子の一製造工程を模式的に示す断面図である。 図１に示す光素子の一製造工程を模式的に示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態の光素子を模式的に示す断面図である。 本発明の第３の実施の形態の光素子を模式的に示す断面図である。 図１２に示す光素子を模式的に示す平面図である。 図１２に示す光素子において、設計波長が８５０ｎｍとした場合において、活性層１０３から第２ミラー１０４に入射した光が第２ミラー１０４内で反射する割合（反射率）と、光学面１０８から受光素子部１２０に入射した光が受光素子部１２０内で反射する割合（反射率）とを模式的に示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る光モジュールを模式的に示す図である。 図１５に示す光素子の駆動回路の一例を模式的に示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る光伝達装置を模式的に示す図である。 本発明の第６の実施の形態に係る光伝達装置の使用形態を模式的に示す図である。
符号の説明
２０ 半導体チップ、 ２４，３４，６４ 配線パターン、 ２６ ハンダ、
２８ 穴、 ３０ 光ファイバ、 ３０ａ，３０ｂ 光ファイバの端面、 ４０ 発光素子部のドライバＩＣ、 ４２ スイッチング回路、 ４４ トランスインピーダンスアンプ（ＴＩＡ）、 ５０ 受信信号、 ５２ ＡＰＣ入力、 ５４，５５ クロック、 ５６ 樹脂、 ５８ 送信信号、 ８０，９２ 電子機器、 ９０ 光伝達装置、 ９４ ケーブル、 ９６ プラグ、 １００，２００，３００，４００，４００ａ，４００ｂ 光素子、 １０１，２０１，３０１ 半導体基板、 １０１ａ 半導体基板１０１の表面、 １０１ｂ 半導体基板１０１の裏面、 １０２，２０２ 第１ミラー、 １０３，２０３ 活性層、 １０４，２０４ 第２ミラー、 １０４ａ 第２ミラー１０４の上面、 １０５，２０５ 電流狭窄層、 １０７，２０７，３０７ 第１電極、 １０８，２０８，３０８ 光学面、 １０９，２０９，３０９ 第２電極、 １１０，２１０，３１０ 第４電極、 １１１，２１１ 第１コンタクト層、 １１２，２１２ 光吸収層、 １１３，２１３ 第２コンタクト層、 １１３ａ 第２コンタクト層１１３の上面、 １１４，２１４，３１４ 開口部、 １１５ エネルギー線、 １１６，２１６，３１６ 第３電極、 １２０，２２０，３２０ 受光素子部、 １３０ 柱状部、 １４０，２４０，３４０ 発光素子部、 １５０ 半導体多層膜、 １６０，２６０ 光学部材、 １６０ａ 液滴、 １６０ｂ 光学部材前駆体、 １７０ ノズル、 １８０ インクジェットヘッド、 ３０６ 絶縁層、 ５００ 光モジュール、 Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ レジスト層

Claims (16)

  1. 発光素子部と、
    前記発光素子部上に設けられ、光学面を有する受光素子部と、を含み、
    少なくとも前記発光素子部と前記受光素子部との積層方向に光を出射し、
    少なくとも前記光学面上に光学部材が設けられている、光素子。
  2. 請求項１において、
    前記受光素子部の上面は前記光学面を含む、光素子。
  3. 請求項１または２において、
    前記光学面と平行な面で切断して得られる前記光学部材の断面が円または楕円である、光素子。
  4. 請求項３において、
    前記光学面が円または楕円であり、
    前記光学部材の断面の最大径は、前記光学面の最大径よりも大きい、光素子。
  5. 請求項１ないし４のいずれかにおいて、
    前記光学部材は、エネルギーの付加によって硬化可能な液体材料を硬化させることにより形成された、光素子。
  6. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
    前記受光素子部は、前記発光素子部から出射する光の一部を電流に変換する機能を有する、光素子。
  7. 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
    前記受光素子部は、前記光学部材から前記光学面へと入射する光を電流に変換する機能を有する、光素子。
  8. 請求項７において、
    前記受光素子部の光学的膜厚ｄは、前記発光素子部の設計波長がλである場合、以下の式（１）で表される、光素子。
    ｄ＝ｍλ／２ （ｍは自然数） 式（１）
  9. 請求項１ないし８のいずれかにおいて、
    前記発光素子部は、
    第１ミラーと、
    前記第１ミラーの上方に設けられた活性層と、
    前記活性層の上方に設けられた第２ミラーと、を含み、
    前記受光素子部は、
    第１コンタクト層と、
    前記第１コンタクト層の上方に設けられた光吸収層と、
    前記光吸収層の上方に設けられた第２コンタクト層と、を含む、光素子。
  10. 請求項１ないし９のいずれかにおいて、
    前記発光素子部は、面発光型半導体レーザとして機能する、光素子。
  11. 前記光学部材はレンズとして機能する、光素子。
  12. 発光素子部と、光学面を有する受光素子部との積層体を形成し、
    前記光学面に対して液滴を吐出して、光学部材前駆体を形成し、
    前記光学部材前駆体を硬化させて、光学部材を形成すること、を含む、光素子の製造方法。
  13. 請求項１２において、
    前記液滴は、エネルギーの付加によって硬化可能な液体材料からなる、光素子の製造方法。
  14. 第１光素子と、第２光素子と、光導波路とを含み、
    前記第１および第２光素子は、請求項１ないし１１のいずれかに記載の光素子であり、
    前記第１光素子の光学面から出射した光は前記光導波路内を伝搬して前記第２光素子の光学面に入射し、
    前記第２光素子の光学面から出射した光は前期光導波路内を伝搬して前記第１光素子の光学面に入射する、光モジュール。
  15. 請求項１４に記載の光モジュールを含む、光伝達装置。
  16. 第１光素子と、第２光素子と、光導波路とを含む光モジュールの駆動方法であって、
    前記第１および第２光素子は、請求項１ないし１１のいずれかに記載の光素子であり、
    前記第１光素子が発光状態であるときに前記第２光素子が受光状態となり、前記第１光素子が受光状態であるときに前記第２光素子が発光状態となるように、前記第１および第２光素子を制御すること、を含む、光モジュールの駆動方法。
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