JP2006173328A - 光素子、光モジュール、および、光伝送装置 - Google Patents

光素子、光モジュール、および、光伝送装置 Download PDF

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Abstract

【課題】面発光型半導体レーザと、受光感度の高い光検出部と、を含む光素子を提供する。
【解決手段】基板１０１側から形成された、ミラー１０２と、ミラー１０４と、を含む面発光型半導体レーザ１４０と、基板１０１の上方に形成された第１光検出部１２２と、第２光検出部１２０と、第１光検出部１２２および第２光検出部１２０との間に形成された分離層１１５を含み、第１光検出部１２２は、第１光吸収層１５２の上方または下方に形成されたフォトニック結晶部１５３ａと、を含み、フォトニック結晶部は、周期的な屈折率分布を有し、かつ、第１光検出部１２２に入射する光の一部が，第１光吸収層１５２の面内に分布して伝搬するように形成されており、第１光検出部１２２は、双方向光通信のための受信用の光検出素子として機能し、かつ、第２光検出部１２０は、面発光型半導体レーザ１４０のためのモニタ用の光検出素子として機能する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光素子、光モジュール、および、光伝送装置に関する。
面発光型半導体レーザは、環境温度により光出力が変動するという特性を有する。このため、面発光型半導体レーザを用いた光モジュールにおいては、面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光の一部を検出して光出力値をモニタするための光検出機能が備えられている場合がある。例えば、面発光型半導体レーザ上にフォトダイオード等の光検出素子を設けることにより、面発光型半導体レーザから出射されるレーザ光の一部を同一素子内でモニタすることができる（例えば、特開２０００−１１４６５８号公報参照）。
また、面発光型半導体レーザ上にフォトダイオードを積層させた同様の構造を用いて、１本の光ファイバで双方向通信を行うための送受信フォトニックＩＣの開発が行われている（例えば、特開平１１−４０４６号公報参照）。
特開２０００−１１４６５８号公報 特開平１１−４０４６号公報
本発明の目的は、面発光型半導体レーザと、受光感度の高い光検出部と、を含む光素子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光伝送装置を提供することにある。
本発明に係る光素子は、
基板と、
前記基板の上方に、該基板側から形成された、第１ミラーと、活性層と、第２ミラーと、を含む面発光型半導体レーザと、
前記基板の上方に形成された第１光検出部と、
前記基板の上方に形成された第２光吸収層を有する第２光検出部と、
前記面発光型半導体レーザと、前記第１光検出部および前記第２光検出部のうちの少なくとも一方との間に形成された分離層と、を含み、
前記第１光検出部は、
前記基板の上方に形成された第１光吸収層と、
前記第１光吸収層の上方または下方に形成されたフォトニック結晶部と、を含み、
前記フォトニック結晶部は、前記第１光検出部に入射する光の方向と交差する面内に周期的な屈折率分布を有する１次元または２次元のフォトニック結晶構造を有し、かつ、前記第１光検出部に入射する光のうちの少なくとも一部が、前記第１光吸収層の面内に分布して伝搬するように形成されており、
前記第１光検出部は、双方向光通信のための受信用の光検出素子として機能し、かつ、前記第２光検出部は、前記面発光型半導体レーザのためのモニタ用の光検出素子として機能し、あるいは、
前記第１光検出部は、前記面発光型半導体レーザのためのモニタ用の光検出素子として機能し、かつ、前記第２光検出部は、双方向光通信のための受信用の光検出素子として機能する。
この光素子によれば、前記フォトニック結晶部において、前記第１光吸収層で吸収されるべき所定波長の入射光のうちの少なくとも一部が、面内に分布するように伝搬する。これにより、入射光は、前記第１光吸収層の面内に広がった状態となる。その結果、前記第１光吸収層は、効率良く光を吸収することができる。
なお、本発明において、特定のもの（以下、「Ａ」という）の上方に形成された他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）とは、Ａ上に直接形成されたＢと、Ａ上に、Ａ上の他のものを介して形成されたＢと、を含む。また、本発明において、Ａの上方にＢを形成するとは、Ａ上に直接Ｂを形成する場合と、Ａ上に、Ａ上の他のものを介してＢを形成する場合と、を含む。
また、本発明において、「周期的」とは、「擬周期的」を含む概念である。即ち、本発明のフォトニック結晶部には、周期的なフォトニック結晶構造を有するものと、擬周期的なフォトニック結晶構造を有するものと、を含む。擬周期的なフォトニック結晶構造としては、例えば、フォトニック準結晶構造（例えば、M. Notomi, H. Suzuki, T. Tamamura, K. Edagawa, Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 123906. 参照）または円座標フォトニック結晶構造（例えば、特開２００４−１０９７３７号公報参照）などが挙げられる。
また、本発明において、ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成とは、III族源（ＡｌおよびＧａ）に対するアルミニウム（Ａｌ）の組成である。本発明において、ＡｌＧａＡｓ層のＡｌ組成は、０から１までである。即ち、ＡｌＧａＡｓ層は、ＧａＡｓ層（Ａｌ組成が０の場合）およびＡｌＡｓ層（Ａｌ組成が１の場合）を含む。
本発明に係る光素子において、
前記第１光検出部は、さらに、
前記第１光吸収層の下方に形成された第１コンタクト層と、
前記第１光吸収層の上方に形成された第２コンタクト層と、を含み、
前記第１光吸収層は、半導体からなり、
前記第２コンタクト層は、前記フォトニック結晶部を有することができる。
本発明に係る光素子において、
前記第１光検出部は、さらに、
前記第１光吸収層の下方に形成され、凹部を有する土台部と、
少なくとも前記凹部内に形成された第１電極と、
前記第１光吸収層の上方に形成された第２電極と、
前記第１の電極と前記第１光吸収層との間、および、前記第２の電極と前記第１光吸収層との間のうちの少なくとも一方に形成された電荷輸送層と、を含み、
前記第１光吸収層は、有機材料からなり、
前記電荷輸送層は、前記フォトニック結晶部を有することができる。
本発明に係る光素子は、
基板と、
前記基板の上方に、該基板側から形成された、第１ミラーと、活性層と、第２ミラーと、を含む面発光型半導体レーザと、
前記基板の上方に形成された第１光吸収層を有する第１光検出部と、
前記基板の上方に形成された第２光吸収層を有する第２光検出部と、
前記面発光型半導体レーザと、前記第１光検出部および前記第２光検出部のうちの少なくとも一方との間に形成された分離層と、を含み、
前記第１光吸収層は、フォトニック結晶部を有し、
前記フォトニック結晶部は、前記第１光検出部に入射する光の方向と交差する面内に周期的な屈折率分布を有する１次元または２次元のフォトニック結晶構造を有し、かつ、前記第１光検出部に入射する光のうちの少なくとも一部が、前記第１光吸収層の面内に分布して伝搬するように形成されており、
前記第１光検出部は、双方向光通信のための受信用の光検出素子として機能し、かつ、前記第２光検出部は、前記面発光型半導体レーザのためのモニタ用の光検出素子として機能し、あるいは、
前記第１光検出部は、前記面発光型半導体レーザのためのモニタ用の光検出素子として機能し、かつ、前記第２光検出部は、双方向光通信のための受信用の光検出素子として機能する。
この光素子によれば、前記フォトニック結晶部において、前記第１光吸収層で吸収されるべき所定波長の入射光のうちの少なくとも一部が、面内に分布するように伝搬する。これにより、入射光は、前記第１光吸収層の面内に広がった状態となる。その結果、前記第１光吸収層は、効率良く光を吸収することができる。
本発明に係る光素子において、
前記第１光検出部は、さらに、
前記第１光吸収層の下方に形成され、凹部を有する土台部と、
少なくとも前記凹部内に形成された第１電極と、
前記第１光吸収層の上方に形成された第２電極と、を含み、
前記凹部の底面には、複数の突起部が周期的に配列されており、
前記第１光吸収層は、有機材料からなり、前記複数の突起部を被覆するように形成されていることができる。
本発明に係る光素子において、
前記第１光検出部は、前記第２ミラーの上方に形成されており、
前記第２光検出部は、前記第２ミラーの上方に形成されていることができる。
本発明に係る光素子において、
前記第１光検出部と、前記第２光検出部との間に形成された分離領域を有し、
前記面発光型半導体レーザは、前記第２検出部の上方に形成されており、
前記分離層は、前記面発光型半導体レーザと、前記第２光検出部との間に形成されており、
前記第１光検出部は、双方向光通信のための受信用の光検出素子として機能し、
前記第２光検出部は、前記面発光型半導体レーザのためのモニタ用の光検出素子として機能することができる。
本発明に係る光素子において、
前記フォトニック結晶部は、周期的に配列された溝、穴、および、柱状突起のうちの少なくともいずれかを有することができる。
本発明に係る光素子において、
前記第２光検出部は、前記第２光吸収層の上方または下方に形成された他のフォトニック結晶部を有し、
前記他のフォトニック結晶部は、前記第２光検出部に入射する光の方向と交差する面内に周期的な屈折率分布を有する１次元または２次元のフォトニック結晶構造を有し、かつ、前記第２光検出部に入射する光のうちの少なくとも一部が、前記第２光吸収層の面内に分布して伝搬するように形成されていることができる。
本発明に係る光素子において、
前記第２光検出部は、さらに、
前記第２光吸収層の下方に形成された第３コンタクト層と、
前記第２光吸収層の上方に形成された第４コンタクト層と、を含み、
前記第２光吸収層は、半導体からなり、
前記第３コンタクト層は、前記他のフォトニック結晶部を有することができる。
本発明に係る光素子において、
前記第２光検出部は、さらに、
前記第２光吸収層の下方に形成され、凹部を有する土台部と、
少なくとも前記凹部内に形成された第３電極と、
前記第２光吸収層の上方に形成された第４電極と、
前記第３の電極と前記第２光吸収層との間、および、前記第４の電極と前記第２光吸収層との間のうちの少なくとも一方に形成された電荷輸送層と、を含み、
前記第２光吸収層は、有機材料からなり、
前記電荷輸送層は、前記フォトニック結晶部を有することができる。
本発明に係る光素子において、
前記第２光吸収層は、他のフォトニック結晶部を有し、
前記他のフォトニック結晶部は、前記第２光検出部に入射する光の方向と交差する面内に周期的な屈折率分布を有する１次元または２次元のフォトニック結晶構造を有し、かつ、前記第２光検出部に入射する光のうちの少なくとも一部が、前記第２光吸収層の面内に分布して伝搬するように形成されていることができる。
本発明に係る光素子において、
前記第２光検出部は、さらに、
前記第２光吸収層の下方に形成され、凹部を有する土台部と、
少なくとも前記凹部内に形成された第３電極と、
前記第２光吸収層の上方に形成された第４電極と、を含み、
前記凹部の底面には、複数の突起部が周期的に配列されており、
前記第２光吸収層は、有機材料からなり、前記複数の突起部を被覆するように形成されていることができる。
本発明に係る光素子において、
前記他のフォトニック結晶部は、周期的に配列された溝、穴、および、柱状突起のうちの少なくともいずれかを有することができる。
本発明に係る光素子において、
前記第１光吸収層の上方または下方であって、該第１光吸収層における光が入射する側とは反対側に形成された第１光反射層、および、前記第２光吸収層の上方または下方であって、該第２光吸収層における光が入射する側とは反対側に形成された第２光反射層のうちの少なくとも一方を有し、
前記第１光反射層は、屈折率の異なる複数の半導体層を積層したものであって、前記第１光吸収層を透過した光を反射させ、
前記第２光反射層は、屈折率の異なる複数の半導体層を積層したものであって、前記第２光吸収層を透過した光を反射させることができる。
本発明に係る光素子において、
前記第１光吸収層の上方または下方であって、該第１光吸収層における光が入射する側に形成された第１無反射コート層、および、前記第２光吸収層の上方または下方であって、該第２光吸収層における光が入射する側に形成された第２無反射コート層のうちの少なくとも一方を有することができる。
本発明に係る光素子において、
前記第１光検出部および前記第２光検出部のうちの少なくとも一方の上方に、液滴吐出法によって形成されたレンズ部を有することができる。
本発明に係る光モジュールは、上述の光素子と、
光導波路と、を含む。
本発明に係る光伝送装置は、上述の光モジュールを含む。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。
１．第１の実施形態
１−１．光素子の構造
図１は、本発明を適用した第１の実施形態に係る光素子１００を模式的に示す断面図である。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。なお、図１は、図２のＩ−Ｉ線における断面を示す図である。
本実施形態に係る光素子１００は、図１に示すように、基板（本実施形態では、半導体基板であるｎ型ＧａＡｓ基板）１０１と、面発光型半導体レーザ（以下、「面発光レーザ」ともいう）１４０と、第１分離層１５５と、第２分離層１１５と、第１光検出部１２２と、第２光検出部１２０と、を含む。
面発光レーザ１４０は、基板１０１上に設けられている。面発光レーザ１４０は垂直共振器を有する。面発光レーザ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。
面発光レーザ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ペアの半導体多層膜からなる分布ブラッグ反射型ミラー（ＤＢＲ）である第１ミラー１０２と、ＧａＡｓウェル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウェル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層１０３と、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの半導体多層膜からなる分布ブラッグ反射型ミラー（ＤＢＲ）である第２ミラー１０４と、が順次積層されて構成されている。なお、第２ミラー１０４の最上層を、Ａｌ組成の小さい方、即ちｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層となるように構成することができる。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、例えば炭素（Ｃ）など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、例えばケイ素（Ｓｉ）などがドーピングされることによりｎ型にされている。従って、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、面発光レーザ１４０のうち、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、ＡｌＧａＡｓ層を側面から酸化することにより得られる酸化狭窄層１０５が形成されている。酸化狭窄層１０５は、リング状に形成されている。即ち、酸化狭窄層１０５は、図１に示す基板１０１の表面１０１ａと平行な面で切断した場合における断面形状が、柱状部１３０の平面形状の円形と同心の円のリング状である。
また、面発光レーザ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、面発光レーザ１４０を駆動するために使用される。
具体的には、図１に示すように、第１電極１０７は、第１ミラー１０２の上面１０２ａ上に設けられている。第１電極１０７は、図２に示すように、リング状の平面形状を有する。即ち、第１電極１０７は主として柱状部１３０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の内側に設けられている。第２電極１０９は、面発光レーザ１４０の上面１０４ａ上に設けられている。第２電極１０９は、図２に示すように、リング状の平面形状を有する。即ち、第２電極１０９は主として第１光検出部１２２を取り囲むように設けられている。言い換えれば、第１光検出部１２２は第２電極１０９の内側に設けられている。
なお、本実施形態では、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を基板１０１の裏面１０１ｂに設けてもよい。
第１電極１０７は、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金と、金（Ａｕ）との積層膜からなる。また、第２電極１０９は、例えば白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）および金（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、例えば金（Ａｕ）と亜鉛（Ｚｎ）との合金などが利用可能である。
本実施形態の光素子１００においては、面発光レーザ１４０上に第１分離層１５５および第２分離層１１５が形成されている。第１分離層１５５は、面発光レーザ１４０と第１光検出部１２２との間に設けられている。第２分離層１１５は、面発光レーザ１４０と第２光検出部１２０との間に設けられている。具体的には、図１に示すように、第１分離層１５５は、第２ミラー１０４と後述する第１コンタクト層１５１との間に設けられており、第２分離層１１５は、第２ミラー１０４と後述する第３コンタクト層１１１との間に設けられている。
第１分離層１５５の平面形状は円形のリング状である。図示の例では、第１分離層１５５の平面形状は、第１コンタクト層１５１の平面形状と同じである。第１分離層１５５の平面形状は、第１コンタクト層１５１の平面形状よりも大きく形成することもできる。また、第２分離層１１５の平面形状は円形である。図示の例では、第２分離層１１５の平面形状は、第３コンタクト層１１１の平面形状と同じである。第２分離層１１５の平面形状は、第３コンタクト層１１１の平面形状よりも大きく形成することもできる。
第１分離層１５５および第２分離層１１５としては、例えば、不純物がドーピングされていないＡｌＧａＡｓ層を用いることができる。なお、第１分離層１５５の材料としては、第２ミラー１０４と第１コンタクト層１５１とを電気的に分離できるものであれば、特に限定されない。第２分離層１１５の材料としては、第２ミラー１０４と第３コンタクト層１１１とを電気的に分離できるものであれば、特に限定されない。
本実施形態の光素子１００においては、第１分離層１５５上に第１光検出部１２２が、第２分離層１１５上に第２光検出部１２０が形成されている。図１および図２に示すように、第１光検出部１２２は、第２光検出部１２０を取り囲むように形成されている。言い換えれば、第２光検出部１２０は、第１光検出部１２２の内側に形成されている。第１光検出部１２２と、第２光検出部１２０とは、接しないように形成されており、電気的に分離されている。
第１光検出部１２２は、第１分離層１５５上に形成された第１コンタクト層１５１と、第１コンタクト層１５１上に形成された第１光吸収層１５２と、第１光吸収層１５２上に形成された第２コンタクト層１５３と、を含む。第１コンタクト層１５１の平面形状は、第１光吸収層１５２および第２コンタクト層１５３の平面形状よりも大きく形成されている（図１および図２参照）。第２コンタクト層１５３および第１光吸収層１５２は、柱状の半導体堆積体を構成する。
第１コンタクト層１５１は例えばｎ型ＧａＡｓ層からなり、第１光吸収層１５２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１５３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１５１は、例えばケイ素（Ｓｉ）がドーピングされることによりｎ型にされ、第２コンタクト層１５３は、例えば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされている。従って、ｐ型の第２コンタクト層１５３、不純物がドーピングされていない第１光吸収層１５２、およびｎ型の第１コンタクト層１５１により、ｐｉｎダイオードが形成される。
第２コンタクト層１５３には、図１に示すように、フォトニック結晶部１５３ａが形成されている。フォトニック結晶部１５３ａは、第２コンタクト層１５３の材料と穴１５３ｂ内部の媒質（空気など）との屈折率差によって、第１光検出部１２２に入射する光の進行方向と交差する面内において周期的な屈折率分布を有する２次元フォトニック結晶構造を有する。フォトニック結晶部１５３ａは、例えば、第１光検出部１２２に入射する光の波長程度の間隔で周期的に配列された穴１５３ｂを設けることにより実現される。また、フォトニック結晶部１５３ａは、第１光検出部１２２に入射する光のうちの少なくとも一部が回折光となって、第１光吸収層１５２の面内に分布して第１光検出部１２２の内部を伝搬するように形成される。例えば、フォトニック結晶部１５３ａが、屈折率ｎ１の媒質と屈折率ｎ２の媒質とからなる１次元のフォトニック結晶構造を有する場合、屈折率分布の周期間隔Ｄは、第１光吸収層１５２の吸収波長をλとすると、Ｄ＝λ／（２ｎ１）＋λ／（２ｎ２）となるように形成することができる。２次元のフォトニック結晶構造の場合においても、同程度の周期間隔で屈折率分布を形成することができる。
また、穴１５３ｂの配列は、例えば、三角格子状または正方格子状とすることができる。図示の例では、三角格子状としている。また、穴１５３ｂの断面形状は、例えば、円筒形状のような対称性形状である場合に限られず、例えば、円錐形状などテーパーを有する非対称性形状であることもできる。また、穴１５３ｂの平面形状は、円形に限らず、多角形であることもできる。
また、フォトニック結晶部１５３ａが１次元のフォトニック結晶構造を有する場合には、穴１５３ｂに換えて溝を形成することができる。具体的には、例えば、第２コンタクト層１５３をスリット状にパターニングして、回折格子としてフォトニック結晶部１５３ａが機能するように形成することができる。
第１光検出部１２２には、第３電極１５４および第４電極１５０が設けられている。第３電極１５４および第４電極１５０は、第１光検出部１２２を駆動させるために使用される。具体的には、第３電極１５４は、図１および図２に示すように、第１コンタクト層１５１の上方であって、第１光吸収層１５２と接しないように形成されている。図２に示すように、第３電極１５４の平面形状は、リング状である。第４電極１５０は、図１および図２に示すように、第２コンタクト層１５３の上方に形成されている。図２に示すように、第４電極１５０の平面形状は、リング状である。
また、本実施形態の光素子１００においては、第３電極１５４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１５０は第２電極１０９と同じ材質にて形成することができる。
第１光検出部１２２は、柱状部１３０の上方に形成されているため、例えば光素子１００を導波路と光学的に接続するような場合（例えば、第４の実施形態参照）に、第１光検出部１２２を光軸に近接させることができる。
第２光検出部１２０は、第２分離層１１５上に形成された第３コンタクト層１１１と、第３コンタクト層１１１上に形成された第２光吸収層１１２と、第２光吸収層１１２上に形成された第４コンタクト層１１３と、を含む。第３コンタクト層１１１の平面形状は、第２光吸収層１１２および第４コンタクト層１１３の平面形状よりも大きく形成されている（図１および図２参照）。第４コンタクト層１１３および第２光吸収層１１２は、柱状の半導体堆積体を構成する。
第３コンタクト層１１１は例えばｎ型ＧａＡｓ層からなり、第２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４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。従って、ｐ型の第４コンタクト層１１３、不純物がドーピングされていない第２光吸収層１１２、およびｎ型の第３コンタクト層１１１により、ｐｉｎダイオードが形成される。
第２光検出部１２０には、第５電極１１４および第６電極１１０が設けられている。第５電極１１４および第６電極１１０は、第２光検出部１２０を駆動させるために使用される。具体的には、第５電極１１４は、図１および図２に示すように、第３コンタクト層１１１の上方であって、第２光吸収層１１２と接しないように形成されている。図２に示すように、第５電極１１４の平面形状は、リング状の一部を切り取った形状である。第６電極１１０は、図１および図２に示すように、第４コンタクト層１１３の上方に形成されている。図２に示すように、第６電極１１０の平面形状は、リング状の一部を切り取った形状である。
また、本実施形態の光素子１００においては、第５電極１１４は第１電極１０７と同じ材質にて形成することができ、第６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。
本実施形態の光素子１００においては、面発光レーザ１４０のｎ型第１ミラー１０２およびｐ型第２ミラー１０４、並びに、第１光検出部１２２のｎ型第１コンタクト層１５１およびｐ型第２コンタクト層１５３から、全体としてｎｐｎｐ構造が構成される。同様に、面発光レーザ１４０のｎ型第１ミラー１０２およびｐ型第２ミラー１０４、並びに、第２光検出部１２０のｎ型第３コンタクト層１１１およびｐ型第４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、本実施形態においては、第１光検出部１２２および第２光検出部１２０がｐｉｎ型フォトダイオードとして機能する場合について説明しているが、本発明は、ｐｉｎ型フォトダイオード以外の受光素子にも適用可能である。本発明を適用できる受光素子としては、例えば、アバランシェ型フォトダイオード、または、ＭＳＭ型フォト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７の実施形態の第１光検出部および第２光検出部でも同様に適用される。
また、第１光吸収層１５２は、単一の半導体層である場合に限られず、複数種類の半導体層が積層された量子井戸構造（多重量子井戸構造および超格子構造と呼ばれるものを含む。）であってもよい。このことは、第２光吸収層１１２についても同様に適用され、さらに、後述する第２〜第７の実施形態の第１光吸収層および第２光吸収層でも同様に適用される。
１−２．光素子の動作
本実施形態の光素子１００の一般的な動作を以下に示す。なお、下記の光素子１００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。
第２光検出部１２０は、面発光レーザ１４０のためのモニタ用の光検出素子として機能する。即ち、第２光検出部１２０は、面発光レーザ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、第２光検出部１２０は、面発光レーザ１４０で生じた光を電流に変換する。この電流の値によって、面発光レーザ１４０で生じた光の出力が検知される。より具体的には、以下の通りである。
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、面発光レーザ１４０の活性層１０３において、電子と正孔との再結合が起こり、該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する。このレーザ光は、第２ミラー１０４の上面１０４ａから光素子１００の外部に出射されるものと、第２分離層１１５へと入射されるものと、を含む。そして、第２分離層１１５へと入射されたレーザ光は、次に、第２光検出部１２０の第３コンタクト層１１１へと入射する。
次に、第２光検出部１２０において、第３コンタクト層１１１に入射したレーザ光は、次に第２光吸収層１１２に入射する。この入射光の一部は、第２光吸収層１１２にて吸収される。その結果、第２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５電極１１４に、正孔は第６電極１１０にそれぞれ移動する。その結果、第２光検出部１２０において、第３コンタクト層１１１から第４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、面発光レーザ１４０の光出力を検知することができる。なお、第２光吸収層１１２にて吸収されずに、第４コンタクト層１１３に入射したレーザ光は、第４コンタクト層１１３の上面から外部に出射される。
また、面発光レーザ１４０の光出力は、主として面発光レーザ１４０に印加するバイアス電圧によって決定される。特に、面発光レーザ１４０の光出力は、面発光レーザ１４０の周囲温度や面発光レーザ１４０の寿命によって大きく変化する。このため、面発光レーザ１４０において所定の光出力を維持することが必要である。
本実施形態に係る光素子１００では、面発光レーザ１４０の光出力をモニタし、第２光検出部１２０にて発生した電流の値に基づいて面発光レーザ１４０に印加する電圧値を調整することによって、面発光レーザ１４０内を流れる電流の値を調整することができる。従って、面発光レーザ１４０において所定の光出力を維持することができる。面発光レーザ１４０の光出力を面発光レーザ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。
また、第１光検出部１２２は、双方向光通信のための受信用の光検出素子として機能する。即ち、第１光検出部１２２は、光素子１００の外部から第１光吸収層１５２に入射する光を電流に変換する機能を有する。この電流信号によって、光素子１００の外部からの光信号が検知される。この場合の具体的な動作については、第５の実施形態の項にて説明する。
上述したように、第１光検出部１２２は、双方向光通信のための受信用の光検出素子として機能し、第２光検出部１２０は、面発光レーザ１４０のためのモニタ用の光検出素子として機能する。このことは、後述する第２〜第７の実施形態の第１光検出部および第２光検出部でも同様に適用される。
１−３．光素子の製造方法
次に、本発明を適用した第１の実施形態の光素子１００の製造方法の一例について、図１〜図１０を用いて説明する。図３〜図１０は、図１および図２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層からなる基板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１７０が形成される。ここで、半導体多層膜１７０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ウェル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウェル層が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２５ペアの第２ミラー１０４、不純物がドーピングされていないＡｌＧａＡｓ層からなる第１分離層１５５および第２分離層１１５、ｎ型ＧａＡｓ層からなる第１コンタクト層１５１および第３コンタクト層１１１、不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層からなる第１光吸収層１５２および第２光吸収層１１２、並びに、ｐ型ＧａＡｓ層からなる第２コンタクト層１５３および第４コンタクト層１１３からなる。これらの層を順に基板１０１上に積層させることにより、半導体多層膜１７０が形成される。
第１分離層１５５および第２分離層１１５は、後述する第１エッチャントに対するエッチングレートが、第１エッチャントに対する第１コンタクト層１５１および第３コンタクト層１１１のエッチングレートよりも小さいものを用いることができる。具体的には、例えば第１分離層１５５および第２分離層１１５は、第１コンタクト層１５１および第３コンタクト層１１１のＡｌ組成より大きなＡｌ組成を有するＡｌＧａＡｓ層からなることができる。なお、この場合、第１コンタクト層１５１および第３コンタクト層１１１のＡｌ組成を小さくすることができるので、第１コンタクト層１５１と第３電極１５４とのオーミックコンタクト、および、第３コンタクト層１１１と第５電極１１４とのオーミックコンタクトを容易に得ることができる。
第１分離層１５５および第２分離層１１５は、後述する第２エッチャントに対するエッチングレートが、第２エッチャントに対する第２ミラー１０４の最上層のエッチングレートよりも大きいものを用いることができる。具体的には、例えば第１分離層１５５および第２分離層１１５は、第２ミラー１０４の最上層のＡｌ組成より大きなＡｌ組成を有するＡｌＧａＡｓ層からなることができる。なお、この場合、第２ミラー１０４の最上層のＡｌ組成を小さくすることができるので、第２ミラー１０４の最上層と第２電極１０９とのオーミックコンタクトを容易に得ることができる。
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層は、後に酸化され、酸化狭窄層１０５となる層に形成される（図８参照）。具体的には、酸化狭窄層１０５となる層は、Ａｌ組成が第１分離層１５５および第２分離層１１５のＡｌ組成より大きなＡｌＧａＡｓ層（ＡｌＡｓ層を含む）に形成される。言い換えるならば、第１分離層１５５および第２分離層１１５は、Ａｌ組成が酸化狭窄層１０５となる層より小さなＡｌＧａＡｓ層に形成することができる。これにより、後述する酸化狭窄層１０５を形成する酸化工程において、第１分離層１５５および第２分離層１１５の酸化を抑制することができる。第１分離層１５５および第２分離層１１５の酸化を抑制することによって、酸化による強度の低下を防ぐことができる。また、第１分離層１５５および第２分離層１１５の酸化を抑制することによって、酸化による屈折率の低下などを防ぐことができる。その結果、後述するように、第１分離層１５５および第２分離層１１５が分布ブラッグ反射型ミラーの一部として機能する際における反射率等に悪影響を与えることを防ぐことができる。
第１分離層１５５および第２分離層１１５の光学的膜厚は、面発光レーザ１４０の設計波長がλである場合、例えば、λ／４の奇数倍とすることができる。これにより、面発光レーザ１４０における第２ミラー１０４、第１分離層１５５、および第２分離層１１５は、活性層１０３の上方において、面発光レーザ１４０の特性に悪影響を及ぼすことなく、分布ブラッグ反射型ミラーとして機能することができる。なお、本発明において、設計波長とは、面発光レーザ１４０が一定の動作温度において生じさせる光のうち、強度が最大である光の波長をいう。また、本発明において、光学的膜厚とは、層の実際の膜厚に、該層を構成する物質の屈折率を乗じて得られる値をいう。
また、第１コンタクト層１５１、第１光吸収層１５２、および第２コンタクト層１５３の光学的膜厚の総和、即ち、第１光検出部１２２（図１参照）の全体の光学的膜厚は、例えば、λ／４の奇数倍とすることができる。これにより、第１光検出部１２２全体は、面発光レーザ１４０の特性に悪影響を及ぼすことなく、分布ブラッグ反射型ミラーとして機能することができる。同様に、第３コンタクト層１１１、第２光吸収層１１２、および第４コンタクト層１１３の光学的膜厚の総和、即ち、第２光検出部１２０（図１参照）の全体の光学的膜厚は、例えば、λ／４の奇数倍とすることができる。これにより、第２光検出部１２０全体は、面発光レーザ１４０の特性に悪影響を及ぼすことなく、分布ブラッグ反射型ミラーとして機能することができる。
また、後の工程において第１電極１０７が形成された際に、第１ミラー１０２のうち少なくとも第１電極１０７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１電極１０７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、第１コンタクト層１５１のうち少なくとも第３電極１５４と接する部分の近傍、第２コンタクト層１５３のうち少なくとも第４電極１５０と接する部分の近傍、第３コンタクト層１１１のうち少なくとも第５電極１１４と接する部分の近傍、および、第４コンタクト層１１３のうち少なくとも第６電極１１０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、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う際の温度は、成長方法や原料、基板１０１の種類、あるいは形成する半導体多層膜１７０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（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、あるいはＬＰＥ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｐｈａｓｅ Ｅｐｉｔａｘｙ）法などを用いることができる。
（２）次に、図４に示すように、第２コンタクト層１５３、第４コンタクト層１１３、第１光吸収層１５２、および、第２光吸収層１１２を所定の形状にパターニングする。
まず、半導体多層膜１７０上にレジスト（図示せず）を塗布した後、リソグラフィ法により該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１５３、第４コンタクト層１１３、第１光吸収層１５２、および、第２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１５３と、第４コンタクト層１１３と、第２コンタクト層１５３と同じ平面形状を有する第１光吸収層１５２と、第４コンタクト層１１３と同じ平面形状を有する第２光吸収層１１２と、が形成される。第２コンタクト層１５３および第１光吸収層１５２、並びに、第４コンタクト層１１３および第２光吸収層１１２は、それぞれ柱状の半導体堆積体を構成する。その後、レジスト層Ｒ１を除去する。
（３）次に、図５に示すように、第１コンタクト層１５１および第３コンタクト層１１１を所定の形状にパターニングする。具体的には、まず、第１コンタクト層１５１および第３コンタクト層１１１の上にレジスト（図示せず）を塗布した後、リソグラフィ法により該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。
次に、レジスト層Ｒ２をマスクとして、第１コンタクト層１５１および第３コンタクト層１１１を第１エッチャントによりエッチングする。これにより、図５に示すように、第１光検出部１２２および第２光検出部１２０が形成される。このエッチング工程では、第１コンタクト層１５１の下には第１分離層１５５が配置されており、第３コンタクト層１１１の下には第２分離層１１５が配置されており、第１分離層１５５および第２分離層１１５がエッチングストッパ層として機能する。そのため、第１コンタクト層１５１および第３コンタクト層１１１のエッチングを、第１分離層１５５および第２分離層１１５が露出した時点で、高い精度で正確かつ容易に止めることができる。
なお、上述した例では、第２コンタクト層１５３、第４コンタクト層１１３、第１光吸収層１５２、および第２光吸収層１１２をパターニングした後、第１コンタクト層１５１および第３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、これらのパターニングの順番は特に限定されない。
（４）次に、図６に示すように、第１分離層１５５および第２分離層１１５を所定の形状にパターニングする。具体的には、上述のレジスト層Ｒ２をマスクとして、第１分離層１５５および第２分離層１１５を第２エッチャントによりエッチングする。これにより、図６に示すように、パターニングされた第１分離層１５５および第２分離層１１５が形成される。その後、レジスト層Ｒ２が除去される。このエッチング工程では、第１分離層１５５および第２分離層１１５の下には、第２ミラー１０４の最上層が配置されており、第２ミラー１０４の最上層がエッチングストッパ層として機能する。そのため、第１分離層１５５および第２分離層１１５のエッチングを、第２ミラー１０４の最上層が露出した時点で、高い精度で正確かつ容易に止めることができる。
なお、図示の例では、第１分離層１５５の平面形状は、第１コンタクト層１５１の平面形状と同じとなるように形成したが、第１分離層１５５の平面形状は、第１コンタクト層１５１の平面形状よりも大きく形成することができる。具体的には、上述の第１分離層１５５のパターニングに用いたレジスト層Ｒ２を、レジスト層Ｒ２よりも平面形状の大きな他のレジスト層を用いて、第１分離層１５５をパターニングすることができる。同様に、第２分離層１１５の平面形状は、第３コンタクト層１１１の平面形状よりも大きく形成することができる。
（５）次に、図７に示すように、パターニングにより、柱状部１３０を含む面発光レーザ１４０が形成される。具体的には、まず、第２ミラー１０４上にレジスト（図示せず）を塗布した後、リソグラフィ法により該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。次に、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７に示すように、柱状部１３０が形成される。
以上の工程により、基板１０１上に、柱状部１３０を含む垂直共振器（面発光レーザ１４０）が形成される。即ち、面発光レーザ１４０と、第１分離層１５５と、第２分離層１１５と、第１光検出部１２２と、第２光検出部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、本実施形態においては前述したように、第１光検出部１２２、第２光検出部１２０、第１分離層１５５、および、第２分離層１１５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を形成した後に第１光検出部１２２、第２光検出部１２０、第１分離層１５５、および、第２分離層１１５を形成してもよい。
（６）次に、図８に示すように、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、酸化狭窄層１０５が形成される。上述したように、この工程において、第１分離層１５５および第２分離層１１５は酸化されないようにすることができる。
酸化レートは、炉の温度、水蒸気の供給量、酸化すべき層のＡｌ組成および膜厚に依存する。酸化により形成される酸化狭窄層１０５を備えた面発光レーザでは、駆動する際に、酸化狭窄層１０５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。従って、酸化によって酸化狭窄層１０５を形成する工程において、形成する酸化狭窄層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。
（７）次に、図９に示すように、第２コンタクト層１５３の上部にフォトニック結晶部１５３ａを形成する。具体的には、第２コンタクト層１５３の上部に、周期的に配列された穴１５３ｂ（図２参照）を形成する。穴１５３ｂは、リソグラフィ技術とエッチング技術との組み合わせ、または、ＥＢ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｂｅａｍ）加工技術などを用いて形成することができる。
（８）次に、図１０に示すように、第２ミラー１０４の上面１０４ａ上に第２電極１０９が形成され、第１光検出部１２２の上面（第２コンタクト層１５３の上面）上に第４電極１５０が形成され、第２光検出部１２０の上面（第４コンタクト層１１３の上面）上に第６電極１１０が形成される。
まず、第２電極１０９、第４電極１５０、および第６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、第２コンタクト層１５３の上面、および第４コンタクト層１１３の上面を洗浄する。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。
次に、例えば真空蒸着法により、例えば白金（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）および金（Ａｕ）の積層膜（図示せず）を形成する。次に、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、第４電極１５０、および第６電極１１０が形成される。
なお、上記工程において、リフトオフ法の代わりにドライエッチング法またはウェットエッチング法を用いることもできる。また、上記工程において、真空蒸着法の代わりにスパッタ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、第４電極１５０、および第６電極１１０を同時にパターニングしているが、第２電極１０９、第４電極１５０、および第６電極１１０を個々に形成してもかまわない。
（９）次に、同様の方法で、例えば金（Ａｕ）とゲルマニウム（Ｇｅ）の合金と金（Ａｕ）との積層膜をパターニングすることで、図１および図２に示すように、面発光レーザ１４０の第１ミラー１０２上に第１電極１０７が形成され、第１光検出部１２２の第１コンタクト層１５１上に第３電極１５４が形成され、第２光検出部１２０の第３コンタクト層１１１上に第５電極１１４が形成される。第１電極１０７、第３電極１５４、および第５電極１１４は、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、第３電極１５４、および第５電極１１４は、個々に形成してもかまわない。
（１０）次に、アニール処理を行う。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℃前後で行う。以上の工程により、第１電極１０７、第２電極１０９、第３電極１５４、第４電極１５０、第５電極１１４、および、第６電極１１０が形成される。
以上の工程により、図１および図２に示すように、本実施形態の光素子１００が得られる。
１−４．作用・効果
本実施形態の光素子１００によれば、第２コンタクト層１５３に形成されたフォトニック結晶部１５３ａにおいて、第１光吸収層１５２で吸収されるべき所定波長の入射光のうちの少なくとも一部が、第１光吸収層１５２の面内に分布するように伝搬する。即ち、入射光は、第１光吸収層１５２の面内に広がった状態となる。その結果、第１光吸収層１５２は、効率良く光を吸収することができる。また、第１光検出部１２２の低電圧動作および高速動作を実現するためには、第１光吸収層１５２を薄膜化することが望まれるが、この場合、第１光吸収層１５２での光吸収率が低くなる。本実施形態の光素子１００によれば、第１光吸収層１５２を薄膜化しても受光感度を高く維持することができる。
また、本実施形態の光素子１００によれば、第１光検出部１２２の第２コンタクト層１５３は、フォトニック結晶部１５３ａを有するため、第１光吸収層１５２の面内に分布するように伝播する光の波長を所望の値とすることができる。すなわち、第１光吸収層１５２にて主として吸収される光の波長を選択することができる。これにより、例えば、第１光検出部１２２の第１光吸収層１５２と、第２光検出部１２０の第２光吸収層１１２とを同じ材質で形成する場合に、第１光吸収層１５２で主として吸収される光の波長と、第２光吸収層１１２で主として吸収される光の波長とを異ならせることができる。従って、例えば、双方向光通信のために本実施形態の光素子１００を用いる場合に、発信用の波長（または波長帯）と、受信用の波長（または波長帯）とを違うものにすることができ、デバイスの設計自由度を向上させることができる。なお、本発明において、主として吸収される光の波長とは、光吸収層にて吸収される光のうち、吸収強度が最大である光の波長をいう。
また、本実施形態の光素子１００によれば、双方向光通信のための受信用の光検出素子として機能する第１光検出部１２２と、面発光レーザ１４０のためのモニタ用の光検出素子として機能する第２光検出部１２０とは、個別に形成されている。これにより、デバイスの回路設計を容易に行うことができ、アルゴリズムを簡素化することができる。
また、本実施形態に係る光素子１００によれば、面発光レーザ１４０の光出力の一部を第２光検出部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。
１−５．変形例
次に、第１の実施形態に係る光素子１００についての変形例を説明する。図１１〜図１３は、本実施形態の光素子１００の変形例を示す断面図である。図１および図２に示す光素子１００と実質的に同様の機能を有する部材には、同一符号を付し詳細な説明は省略し、主要な相違点について説明する。
まず、図１１に示す態様では、第１光吸収層１５２と第２コンタクト層１５３との間に第１中間層１５６が、第２光吸収層１１２と第４コンタクト層１１３との間に第２中間層１１６が、形成されている。第１中間層１５６および第２中間層１１６は、他のエピタキシャル層に比べて、膜厚が十分に薄いことが好ましい。また、第１中間層１５６および第２中間層１１６は、不純物がドーピングされた半導体層であることができる。また、第１中間層１５６は、第２コンタクト層１５３よりも、エッチング選択比の小さい材料から構成されることが好ましい。このようにすれば、第２コンタクト層１５３に対して、周期的に貫通孔を形成してフォトニック結晶構造を形成する場合に、第１中間層１５６がエッチングストッパとして機能するため、ウェットエッチングなどの手法を容易に用いることができる。また、第１中間層１５６を薄膜化し、かつ、貫通孔によりフォトニック結晶部１５３ａを設けることにより、第１光吸収層１５２とフォトニック結晶部１５３ａとを、より近接させることができる。
次に、図１２に示す態様では、フォトニック結晶構造を第２コンタクト層１５３自体に設けるのではなく、第２コンタクト層１５３において、光が入射される領域をエッチングにより除去し、この除去された領域に保護層１５７を形成し、保護層１５７にフォトニック結晶部１５７ａを形成している。このようにすれば、フォトニック結晶構造を構成する材料についての選択性の幅が広がる。このため、例えば、成形性に優れた樹脂材料を選択することにより、加工プロセスの容易化を図ることができるようになる。保護層１５７としては、例えば、ポリイミド系樹脂などを用いることができる。
次に、図１３に示す態様では、第１光検出部１２２の上方に第１レンズ部１８２が形成され、第２光検出部１２０の上方に第２レンズ部１８０が形成されている。より具体的には、第１レンズ部１８２が、第２コンタクト層１５３の上に形成されており、第２レンズ部１８０が、第４コンタクト層１１３の上に形成されている。第１レンズ部１８２および第２レンズ部１８０は、例えば、第１レンズ部１８２および第２レンズ部１８０に入射する光を集光、偏向、または分光する機能を有することができる。第１レンズ部１８２および第２レンズ部１８０は、その用途および機能に応じた立体形状を有する。第１レンズ部１８２および第２レンズ部１８０は、レンズの材料を溶液状にして、液滴吐出法により、第２コンタクト層１５３および第４コンタクト層１１３の上に、液滴を滴下した後に、溶液状の材料を硬化させて形成されることができる。液滴吐出法には、例えばインクジェット装置またはディスペンサなどを用いることができる。レンズの材料を硬化させる方法としては、材料の性質に応じて、紫外線を照射する方法、または熱を付与する方法などが挙げられる。
このように、第１光検出部１２２の上方に第１レンズ部１８２が形成されていることにより、第１光吸収層１５２への光の入射効率を向上させることができる。また、第２光検出部１２０の上方に第２レンズ部１８０が形成されていることにより、光素子１００から出射されるレーザ光の放射角を狭くすることができる。また、光素子１００が第１レンズ部１８２および第２レンズ部１８０を有することにより、例えば光導波路と光素子１００を光学的に接続する際に、光軸ずれの許容範囲が広がる（即ち、トレランスが向上する。）。
なお、図示はしないが、柱状部１３０の上面全体にレンズ部を形成することもできる。即ち、第１光検出部１２２および第２光検出部１２０を１つのレンズ部で覆うこともできる。また、第２レンズ部１８０を形成せずに、第１レンズ部１８２のみを形成することもできるし、その逆も可能である。
なお、図示はしないが、他の変形例として例えば、必要に応じて第２コンタクト層１５３の上に、保護層、または、第１光検出部１２２に入射する光に対して反射率が低くなるように設定された無反射コート層などを形成することもできる。無反射コート層は、例えば、半導体光増幅器の光出射面などに用いられている公知の材料から形成することができる。このようにすれば、第２コンタクト層１５３の上面における入射光の全面反射を低減して、第１光検出部１２２の内部に多くの光を取り込むことができるようになる。なお、穴１５３ｂの内部に他の材料が充填されるような場合には、第２コンタクト層１５３の材料との屈折率差が大きいものを選択することが好ましい。
また、図示はしないが、他の変形例として例えば、必要に応じて第１分離層１５５と第１コンタクト層１５１との間に、第１光反射層を形成することもできる。第１光反射層は、第１光吸収層１５２で吸収されずに透過した光を反射させて、再度、第１光吸収層１５２側へ戻すことができる。これにより、第１光検出部１２２の受光感度を向上させることができる。第１光反射層は、例えば、ＧａＡｓとＡｌＧａＡｓなどのような屈折率の異なる複数種類の半導体層を交互に積層して形成することができる。第１光反射層としては、入射光に対して反射性を有するものであれば特に限定されず、例えば、金属層、誘電体多層膜なども用いることができる。同様に、第４コンタクト層１１３の上に第２光反射層を形成することもできる。第２光反射層は、第２光吸収層１１２で吸収されずに透過した光を反射させて、再度、第２光吸収層１１２側へ戻すことができる。これにより、第２光検出部１２０の受光感度を向上させることができる。第２光反射層としては、入射光に対して反射性を有するものであれば特に限定されず、例えば、第１光反射層と同様の材料を用いることができる。
また、図示はしないが、他の変形例として例えば、必要に応じて第２光検出部１２０にフォトニック結晶部を形成することもできる。より具体的には、例えば、フォトニック結晶構造を第３コンタクト層１１１に形成することもできる。これにより、第２光吸収層１１２で吸収されるべき所定波長の入射光のうちの少なくとも一部が、第２光吸収層１１２の面内に分布するように伝搬する。即ち、入射光は、第２光吸収層１１２の面内に広がった状態となる。その結果、第２光吸収層１１２は、効率良く光を吸収することができる。また、第２光検出部１２０の低電圧動作を実現するためには、第２光吸収層１１２を薄膜化することが望まれるが、この場合、第２光吸収層１１２での光吸収率が低くなる。この変形例によれば、第２光吸収層１１２を薄膜化しても受光感度を高く維持することができる。
また、この変形例によれば、第２光検出部１２０の第３コンタクト層１１１は、フォトニック結晶部を有するため、第２光吸収層１１２の面内に分布するように伝播する光の波長を所望の値とすることができる。すなわち、第２光吸収層１１２にて主として吸収される光の波長を選択することができる。これにより、例えば、第１光検出部１２２の第１光吸収層１５２と、第２光検出部１２０の第２光吸収層１１２とを同じ材質で形成する場合に、第１光吸収層１５２で主として吸収される光の波長と、第２光吸収層１１２で主として吸収される光の波長とを異ならせることができる。従って、例えば、双方向光通信のためにこの光素子１００を用いる場合に、発信用の波長（または波長帯）と、受信用の波長（または波長帯）とを違うものにすることができ、デバイスの設計自由度を向上させることができる。
また、上述した例では、第１光検出部１２２と第２光検出部１２０とは、同じ半導体層をパターニングすることによって形成される場合について説明したが（図３〜図５参照）、第１光検出部１２２と第２光検出部１２０とは、別の半導体層をパターニングすることによって形成されることもできる。即ち、第１光検出部１２２となる半導体多層膜と、第２光検出部１２０となる半導体多層膜とを、それぞれ別の工程で基板１０１上に積層することができる。
なお、上述した全ての変形例は、後述する第２〜第４の実施形態に係る光素子においても同様に適用される。
２．第２の実施形態
２−１．光素子の構造
図１４は、本発明を適用した第２の実施形態に係る光素子２００を模式的に示す断面図である。図１５は、図１４に示す光素子２００を模式的に示す平面図である。なお、図１４は、図１５のII−II線における断面を示す図である。本実施形態に係る光素子２００は、第１光検出部２２２および第２光検出部２２０が、第１の実施形態に係る光素子１００の場合と異なる。本実施形態に係る光素子２００において、第１の実施形態に係る光素子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の実施形態に係る光素子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。
第１光検出部２２２は、第１土台部２５８と、第１土台部２５８の主面上から第１凹部２５８ａ内にかけて形成された第３電極（陰極）２５４と、第１土台部２５８の第１凹部２５８ａの底面上に突起部２５８ｂを覆うように形成された第１光吸収層２５２と、第１光吸収層２５２の上に形成された第４電極（陽極）２５０と、から構成される。第２光検出部２２０は、第２土台部２１８と、第２土台部２１８の主面上から第２凹部２１８ａ内にかけて形成された第５電極（陰極）２１４と、第２土台部２１８の第２凹部２１８ａの底面上に形成された第２光吸収層２１２と、第２光吸収層２１２の上に形成された第６電極（陽極）２１０と、から構成される。
第１土台部２５８および第２土台部２１８は、ガラス、樹脂、または半導体などから用途に応じて好適なものを採用することができる。例えば、第１土台部２５８および第２土台部２１８の裏面（主面と反対側の面）の側から光を入射させたい場合には、石英ガラスや、ポリカーボネート、ポリイミドあるいはＰＥＴなどの透明性プラスチックなどの透明材料を用いることができる。また、本実施形態の第１光検出部２２２では、第１土台部２５８に突起部２５８ｂを設けることで、突起部２５８ｂを被覆する第１光吸収層２５２をパターニングしてフォトニック結晶部２５２ａを設ける構成を採用する。このため、第１土台部２５８の材料は、第１光吸収層２５２の材料との間で十分な屈折率差を有するものを選択することが好ましい。
第３電極２５４および第５電極２１４は、仕事関数の小さい金属、合金、電気伝導性化合物、および、これらの混合物を用いることができる。このような電極物質としては、例えば特開平８−２４８２７６号公報に開示されたものを用いることができる。
第４電極２５０および第６電極２１０は、仕事関数の大きい金属、合金、電気伝導性化合物、および、これらの混合物を用いることができる。第４電極２５０および第６電極２１０として光学的に透明な材料を用いる場合には、ＣｕＩ、ＩＴＯ、ＳｎＯ２、ＺｎＯなどの導電性化合物を用いることができ、透明性を必要としない場合には、金などの金属を用いることができる。
第１光吸収層２５２および第２光吸収層２１２は、光吸収性（あるいは光電変換性）を有する有機材料からなり、例えば、特開２００１−２９７８７４号公報、あるいは特開２００３−１０１０６０号公報などに開示されている有機材料を用いて形成することができる。また、第１光吸収層２５２は、周期的に配列された複数の穴２５２ｂを有する。言い換えれば、第１光吸収層２５２の穴２５２ｂの内部に、第１土台部２５８の突起部２５８ｂが形成されている。本実施形態の第１光検出部２２２では、第１光吸収層２５２と、第１光吸収層２５２の穴２５２ｂの内部に形成された第１土台部２５８の突起部２５８ｂとの間で屈折率差を有することにより、第１光検出部２２２に入射する光の方向と交差する面内に周期的な屈折率分布が生ずる。そして、第１光吸収層２５２にフォトニック結晶構造を有するフォトニック結晶部２５２ａが形成される。フォトニック結晶部２５２ａは、穴２５２ｂの平面形状が円形あるいは多角形となるように第１土台部２５８の突起部２５８ｂを設けることにより、２次元フォトニック結晶構造とすることができる。また、突起部２５８ｂを非対称性の断面形状で形成することにより、第１光吸収層２５２の穴２５２ｂを非対称性の断面形状となるように形成することもできる。また、フォトニック結晶部２５２ａは、複数の穴２５２ｂに換えて複数の溝が形成されるように第１土台部２５８の突起部２５８ｂを設けることにより、１次元フォトニック結晶構造とすることができる。この場合、フォトニック結晶部２５２ａは、回折格子として機能する。そして、フォトニック結晶部２５２ａは、第１光検出部２２２に入射する光のうちの少なくとも一部が回折光となって、第１光吸収層２５２の面内に分布して第１光検出部２２２の内部を伝搬するように形成される。
２−２．光素子の製造方法
次に、本発明を適用した第２の実施形態の光素子２００の製造方法の一例について、図３〜図８、図１４〜図１９を用いて説明する。図１６〜図１９は、図１４および図１５に示す光素子２００の一製造工程を模式的に示す断面図であり、それぞれ図１４に示す断面図に対応している。
（１）まず、前述の第１の実施形態に係る光素子１００の製造プロセスと同様にして、酸化狭窄層２０５を形成する工程まで行う（図３〜図８参照）。
（２）次に、図１６に示すように、第１光検出部２２２の第１土台部２５８に第１凹部２５８ａを形成し、第２光検出部２２０の第２土台部２１８に第２凹部２１８ａを形成する。このとき、第１凹部２５８ａの底面に、複数の突起部２５８ｂが周期的に配列されるようにパターニングが行われる。パターニングは、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）または電子線描画法などを用いて行うことができる。第１光吸収層２５２に２次元フォトニック結晶構造を形成する場合は、突起部２５８ｂが、例えば、円形や多角形の平面形状になり、正方格子状や三角格子状に配列されるようにパターンニングを行うことができる。第１光吸収層２５２に１次元フォトニック結晶構造を形成する場合は、突起部２５８ｂが、ストライプ状になるようにパターニングを行うことができる。
（３）次に、図１７に示すように、第１光検出部２２２の第１土台部２５８の主面から第１凹部２５８ａの内部にかけて第３電極２５４を形成し、第２光検出部２２０の第２土台部２１８の主面から第２凹部２１８ａの内部にかけて第５電極２１４を形成する。第３電極２５４および第５電極２１４は、例えば蒸着法またはスパッタ法などを用いて形成することができる。第１光吸収層２５２に形成するフォトニック結晶構造のパターニング寸法の精度を高めるために、突起部２５８ｂに第３電極２５４の材料が付着しないよう望まれる場合には、第３電極２５４は、例えばマスク蒸着法またはマスクスパッタ法などを用いて形成されることができる。
（４）次に、図１８に示すように、上述した有機材料によって、第１土台部２５８の第１凹部２５８ａの突起部２５８ｂを覆うように第１光吸収層２５２を形成し、第２土台部２１８の第２凹部２１８ａ内に第２光吸収層２１２を形成する。第１光吸収層２５２および第２光吸収層２１２は、特開２００３−１０１０６０号公報に開示されているように、例えば蒸着法により形成することができる。第１光吸収層２５２および第２光吸収層２１２は、有機材料を溶液状にして、液滴吐出法により、第１凹部２５８ａ内および第２凹部２１８ａ内に溶液状の有機材料を充填した後に、溶液状の有機材料を硬化させて形成することもできる。液滴吐出法には、例えばインクジェット装置またはディスペンサなどを用いることができる。有機材料を硬化させる方法としては、材料の性質に応じて、紫外線を照射する方法、または熱を付与する方法などが挙げられる。この工程により、突起部２５８ｂのパターン形状に合わせて第１光吸収層２５２もパターニングされて周期的に配列された穴２５２ｂが形成される。これにより、第１光吸収層２５２にフォトニック結晶部２５２ａが形成される。
（５）次に、図１９に示すように、第１光吸収層２５２の上に第４電極２５０を形成し、第２光吸収層２１２の上に第６電極２１０を形成する。第４電極２５０および第６電極２１０は、第３電極２５４および第５電極２１４と同様の成膜方法により形成することができる。以上の工程により、第１光検出部２２２および第２光検出部２２０が形成される。
（６）次に、前述の第１の実施形態に係る光素子１００の製造プロセスと同様にして、図１４および図１５に示すように、第１電極２０７および第２電極２０９を形成する。
以上の工程により、図１４および図１５に示すように、本実施形態の光素子２００が得られる。
２−３．作用・効果
本実施形態の光素子２００は、第１の実施形態における作用・効果の項で述べた作用・効果と、実質的に同じ作用・効果を有する。
さらに、本実施形態の光素子２００は、第１光吸収層２５２の材料として有機材料を用いている。有機材料の絶縁性が高い場合、第１光吸収層２５２を薄膜化することが望まれるが、第１光吸収層２５２を薄膜化すると光の吸収領域が少なくなるため、光の吸収効率が低くなる。本実施形態の光素子によれば、第１光検出部２２２に入射する光を第１光吸収層２５２の面内に分布するように伝搬させるため、第１光吸収層２５２を薄膜化しても受光感度を高く維持することができる。
２−４．変形例
上述した例では、第３電極２５４が第１土台部２５８の第１凹部２５８ａ内に形成されており、第５電極２１４が第２土台部２１８の第２凹部２１８ａ内に形成されている場合について説明したが、例えば、第１土台部２５８および第２土台部２１８が導電性を有する場合には、第１土台部２５８と第１分離層２５５との間に第３電極２５４を形成することができ、第２土台部２１８と第２分離層２１５との間に第５電極２１４を形成することができる。
次に、本実施形態の光素子２００の他の変形例を説明する。図２０は、本実施形態の光素子２００の変形例の一つを示す断面図である。この第１光検出部２２２では、第１光吸収層２５２でのキャリア輸送能力が低い場合に、第１光吸収層２５２と第３電極２５４との間に、第１光吸収層２５２での光吸収作用で発生したキャリアを第３電極２５４へ輸送する第１電荷輸送層２５９が形成されている。同様に、第２光検出部２２０では、第２光吸収層２１２と第５電極２１４との間に、第２電荷輸送層２１９が形成されている。第１電荷輸送層２５９および第２電荷輸送層２１９を形成する材料は、例えば、特開平８−２４８２７６号公報、または特開２００３−１０１０６０号公報に開示されたものを用いることができる。また、第１電荷輸送層２５９には、周期的に配列された複数の穴２５９ｂが形成されている。これにより、第１光検出部２２２に入射する光を第１光吸収層２５２の面内に分布させるためのフォトニック結晶部２５９ａを、第１電荷輸送層２５９に形成することができる。なお、第１電荷輸送層２５９は、第１光吸収層２５２と第４電極２５０との間に形成することもでき、第２電荷輸送層２１９は、第２光吸収層２１２と第６電極２１０との間に形成することもできる。
３．第３の実施形態
３−１．光素子の構造
図２１は、本発明を適用した第３の実施形態に係る光素子３００を模式的に示す断面図である。図２２は、図２１に示す光素子３００を模式的に示す平面図である。なお、図２１は、図２２のIII−III線における断面を示す図である。本実施形態に係る光素子３００は、第１光検出部３２２および第２光検出部３２０が、第２の実施形態に係る光素子２００の場合と異なる。本実施形態に係る光素子３００において、第２の実施形態に係る光素子２００の構成要素「２ＸＸ」と類似する構成要素を「３ＸＸ」と示す。すなわち、「３ＸＸ」は、第２の実施形態に係る光素子２００の「２ＸＸ」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。
上述した第２の実施形態では、第１土台部２５８に設けられた突起部２５８ｂを利用して、第１光吸収層２５２にフォトニック結晶部２５２ａを形成していたのに対して、本実施形態では、第１光吸収層３５２の上部に周期的に配列された複数の穴３５２ｂを形成し、これにより、第１光吸収層３５２にフォトニック結晶部３５２ａを形成している。
第１光検出部３２２では、穴３５２ｂ内の媒質（空気など）と第１光吸収層２５２を構成する有機材料との間で屈折率差が生じ、フォトニック結晶部３５２ａが２次元フォトニック結晶構造を構成する。また、第１光吸収層２５２をストライプ状にパターニングし、複数の穴３５２ｂに換えて溝を形成することにより、フォトニック結晶部３５２ａが回折格子として働き、１次元フォトニック結晶構造を構成することもできる。フォトニック結晶部３５２ａは、第１光検出部３２２に入射する光のうちの少なくとも一部が回折光となって、第１光吸収層２５２の面内に分布して第１光検出部３２２の内部を伝搬するように形成される。
３−２．光素子の製造方法
次に、本発明を適用した第３の実施形態の光素子３００の製造方法の一例について、図３〜図８、図２１〜図２６を用いて説明する。図２３〜図２６は、図２１および図２２に示す光素子３００の一製造工程を模式的に示す断面図であり、それぞれ図２１に示す断面図に対応している。
（１）まず、前述の第１の実施形態に係る光素子１００の製造プロセスと同様にして、酸化狭窄層３０５を形成する工程まで行う（図３〜図８参照）。
（２）次に、図２３に示すように、第１光検出部３２２の第１土台部３５８に第１凹部３５８ａを形成し、第２光検出部３２０の第２土台部３１８に第２凹部３１８ａを形成する。第１凹部３５８ａおよび第２凹部３１８ａは、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）または電子線描画法などを用いて形成することができる。
（３）次に、図２４に示すように、第１光検出部３２２の第１土台部３５８の主面から第１凹部３５８ａの内部にかけて第３電極３５４を形成し、第２光検出部３２０の第２土台部３１８の主面から第２凹部３１８ａの内部にかけて第５電極３１４を形成する。第３電極３５４および第５電極３１４は、例えば蒸着法またはスパッタ法などを用いて形成することができる。次に、上述した有機材料によって、第１土台部３５８の第１凹部３５８ａ内に第１光吸収層３５２を形成し、第２土台部３１８の第２凹部３１８ａ内に第２光吸収層３１２を形成する。第１光吸収層３５２および第２光吸収層３１２は、例えば蒸着法により形成することができる。第１光吸収層３５２および第２光吸収層３１２は、有機材料を溶液状にして、液滴吐出法により、第１凹部３５８ａ内および第２凹部３１８ａ内に溶液状の有機材料を充填した後に、溶液状の有機材料を硬化させて形成することもできる。液滴吐出法には、例えばインクジェット装置またはディスペンサなどを用いることができる。有機材料を硬化させる方法としては、材料の性質に応じて、紫外線を照射する方法、または熱を付与する方法などが挙げられる。
（４）次に、図２５に示すように、第１光吸収層３５２の上部をパターニングして、周期的に配列された穴３５２ｂを形成する。これにより、第１光吸収層３５２にフォトニック結晶部３５２ａが形成される。第１光吸収層３５２に２次元フォトニック結晶構造を形成する場合は、穴３５２ｂが、例えば、円形や多角形の平面形状になり、正方格子状や三角格子状に配列されるようにパターンニングを行うことができる。第１光吸収層３５２に１次元フォトニック結晶構造を形成する場合は、穴３５２ｂに換えて溝が形成されるようストライプ状にパターニングを行うことができる。
なお、第１光吸収層３５２を硬化性樹脂から形成する場合には、図２４および図２５に示す工程を連続的に行うことができる。具体的には、例えば、有機材料を溶液化したものを第１凹部３５８ａ内に滴下し、穴３５２ｂを形成するためのパターンが形成されたスタンパ等で型押ししながら樹脂を硬化させる。このような手法を用いることにより、パターニングの再現性を良好にすることができ、製造コストを抑制することができる。
（５）次に、図２６に示すように、第１光吸収層３５２の上に第４電極３５０を形成し、第２光吸収層３１２の上に第６電極３１０を形成する。第４電極３５０および第６電極３１０は、第３電極３５４および第５電極３１４と同様の成膜方法により形成することができる。以上の工程により、第１光検出部３２２および第２光検出部３２０が形成される。
（６）次に、前述の第１の実施形態に係る光素子１００の製造プロセスと同様にして、図２１および図２２に示すように、第１電極３０７および第２電極３０９を形成する。
以上の工程により、図２１および図２２に示すように、本実施形態の光素子３００が得られる。
３−３．作用・効果
本実施形態の光素子３００は、第２の実施形態における作用・効果の項で述べた作用・効果と、実質的に同じ作用・効果を有する。
３−４．変形例
上述した例では、第３電極３５４が第１土台部３５８の第１凹部３５８ａ内に形成されており、第５電極３１４が第２土台部３１８の第２凹部３１８ａ内に形成されている場合について説明したが、例えば、第１土台部３５８および第２土台部３１８が導電性を有する場合には、第１土台部３５８と第１分離層３５５との間に第３電極３５４を形成することができ、第２土台部３１８と第２分離層３１５との間に第５電極３１４を形成することができる。
次に、本実施形態の光素子３００の他の変形例を説明する。図２７は、本実施形態の光素子３００の変形例の一つを示す断面図である。この第１光検出部３２２では、第１光吸収層３５２でのキャリア輸送能力が低い場合に、第１光吸収層３５２と第４電極３５０との間に、第１光吸収層３５２での光吸収作用で発生したキャリアを第４電極３５０へ輸送する第１電荷輸送層３５９が形成されている。同様に、第２光検出部３２０では、第２光吸収層３１２と第６電極３１０との間に、第２電荷輸送層３１９が形成されている。また、第１電荷輸送層３５９には、周期的に配列された複数の穴３５９ｂが形成されている。これにより、第１光検出部３２２に入射する光を第１光吸収層３５２の面内に分布させるためのフォトニック結晶部３５９ａを、第１電荷輸送層３５９に形成することができる。なお、第１電荷輸送層３５９は、第１光吸収層３５２と第３電極３５４との間に形成することもでき、第２電荷輸送層３１９は、第２光吸収層３１２と第５電極３１４との間に形成することもできる。
４．第４の実施形態
４−１．光素子の構造
図２８は、本発明を適用した第４の実施形態に係る光素子４００を模式的に示す断面図である。図２９は、図２８に示す光素子４００を模式的に示す平面図である。なお、図２８は、図２９のIV−IV線における断面を示す図である。本実施形態に係る光素子４００は、面発光レーザ４４０、第１光検出部４２２、および第２光検出部４２０の形成されている位置が、第１の実施形態に係る光素子１００の場合と異なる。本実施形態に係る光素子４００において、第１の実施形態に係る光素子１００の構成要素「１ＸＸ」と類似する構成要素を「４ＸＸ」と示す。すなわち、「４ＸＸ」は、第１の実施形態に係る光素子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。
本実施形態に係る光素子４００は、図２８に示すように、基板４０１と、面発光レーザ４４０と、分離領域４６０と、第２分離層４１５と、第１光検出部４２２と、第２光検出部４２０と、を含む。
基板４０１としては、絶縁性または半絶縁性の基板を用いることができる。本実施形態では、半絶縁性の基板であるアンドープのＧａＡｓ基板を用いている。
本実施形態の光素子４００においては、基板４０１上に第１光検出部４２２および第２光検出部４２０が形成されている。図２８および図２９に示すように、第１光検出部４２２と、第２光検出部４２０との間には、分離領域４６０が形成されている。具体的には、分離領域４６０は、第１光検出部４２２と第２光検出部４２０との間に、基板４０１を貫通しない程度に形成された溝である。分離領域４６０は、第１光検出部４２２と、第２光検出部４２０とを電気的に分離している。
本実施形態の光素子４００においては、第２光検出部４２０上に第２分離層４１５が形成されている。第２分離層４１５は、第２光検出部４２０と面発光レーザ４４０との間に設けられている。具体的には、図２８に示すように、第２分離層４１５は、第４コンタクト層４１３と第１ミラー４０２との間に設けられている。
第２分離層４１５の平面形状は円形である。図示の例では、第２分離層４１５の平面形状は、第１ミラー４０２の平面形状と同じである。第２分離層４１５の平面形状は、第１ミラー４０２の平面形状よりも大きく形成することもできる。第２分離層４１５の材料としては、第４コンタクト層４１３と第１ミラー４０２とを電気的に分離できるものであれば、特に限定されない。
本実施形態の光素子４００においては、第２分離層４１５上に面発光レーザ４４０が設けられている。第２電極４０９には開口部４０９ａが設けられている。この開口部４０９ａによって露出した第２ミラー４０４の上面がレーザ光の出射面４０８である。従って、開口部４０９ａの平面形状および大きさを適宜設定することにより、出射面４０８の形状および大きさを適宜設定することができる。本実施形態においては、図２９に示すように、出射面４０８が円形である場合を示す。
本実施形態の光素子４００においては、第２光検出部４２０のｎ型第３コンタクト層４１１およびｐ型第４コンタクト層４１３、並びに、面発光レーザ４４０のｎ型第１ミラー４０２およびｐ型第２ミラー４０４から、全体としてｎｐｎｐ構造が構成される。
４−２．光素子の動作
本実施形態の光素子４００の一般的な動作を以下に示す。なお、下記の光素子４００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。また、第１の実施形態の光素子１００の動作と同様である点については、基本的にその説明を省略する。
まず、第１電極４０７と第２電極４０９とで、ｐｉｎダイオードに順方向の電圧を印加すると、面発光レーザ４４０の活性層４０３において、電子と正孔との再結合が起こり、該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４０４と第１ミラー４０２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、出射面４０８からレーザ光が外部に出射されるとともに、第２分離層４１５へレーザ光が入射される。出射面４０８から出射されるレーザ光と、第２分離層４１５へ入射されるレーザ光との所望の割合は、例えば、第１ミラー４０２および第２ミラー４０４を構成する各層の組成および層数を適宜設定することにより得ることができる。第２分離層４１５へ入射したレーザ光は、次に、第２光検出部４２０の第４コンタクト層４１３へと入射する。
次に、第２光検出部４２０において、第４コンタクト層４１３に入射した光は、次に第２光吸収層４１２に入射する。この入射光の一部が第２光吸収層４１２にて吸収される結果、第２光吸収層４１２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５電極４１４に、正孔は第６電極４１０にそれぞれ移動する。その結果、第２光検出部４２０において、第３コンタクト層４１１から第４コンタクト層４１３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、面発光レーザ４４０の光出力を検知することができる。
４−３．光素子の製造方法
次に、本発明を適用した第４の実施形態の光素子４００の製造方法の一例について、図２８〜図３３を用いて説明する。図３０〜図３３は、図２８および図２９に示す光素子４００の一製造工程を模式的に示す断面図であり、それぞれ図２８に示す断面図に対応している。なお、第１の実施形態と同様の点については、基本的にその説明を省略する。
（１）まず、アンドープのＧａＡｓ層からなる基板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３０に示すように、半導体多層膜４７０が形成される。ここで、半導体多層膜４７０は例えば、ｎ型ＧａＡｓ層からなる第１コンタクト層４５１および第３コンタクト層４１１、不純物がドーピングされていないＧａＡｓ層からなる第１光吸収層４５２および第２光吸収層４１２、ｐ型ＧａＡｓ層からなる第２コンタクト層４５３および第４コンタクト層４１３、不純物がドーピングされていないＡｌＧａＡｓ層からなる第２分離層４１５、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４０２、ＧａＡｓウェル層とＡｌ０．３Ｇａ０．７Ａｓバリア層からなり、ウェル層が３層で構成される量子井戸構造を含む活性層４０３、並びに、ｐ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した２５ペアの第２ミラー４０４からなる。これらの層を順に基板４０１上に積層させることにより、半導体多層膜４７０が形成される。
第２分離層４１５は、第２コンタクト層４５３および第４コンタクト層４１３をエッチングする際に用いられるエッチャントに対するエッチングレートが、該エッチャントに対する第２コンタクト層４５３および第４コンタクト層４１３のエッチングレートよりも小さいものを用いることができる。具体的には、例えば第２分離層４１５は、第２コンタクト層４５３および第４コンタクト層４１３のＡｌ組成より大きなＡｌ組成を有するＡｌＧａＡｓ層からなることができる。なお、この場合、第２コンタクト層４５３および第４コンタクト層４１３のＡｌ組成を小さくすることができるので、第２コンタクト層４５３と第４電極４５０とのオーミックコンタクト、および、第４コンタクト層４１３と第６電極４１０とのオーミックコンタクトを容易に得ることができる。
第２分離層４１５は、第２分離層４１５をエッチングする際に用いられるエッチャントに対するエッチングレートが、該エッチャントに対する第１コンタクト層４５１および第３コンタクト層４１１のエッチングレートよりも大きいものを用いることができる。具体的には、例えば第２分離層４１５は、第１コンタクト層４５１および第３コンタクト層４１１のＡｌ組成より大きなＡｌ組成を有するＡｌＧａＡｓ層からなることができる。なお、この場合、第１コンタクト層４５１および第３コンタクト層４１１のＡｌ組成を小さくすることができるので、第１コンタクト層４５１と第３電極４５４とのオーミックコンタクト、および、第３コンタクト層４１１と第５電極４１４とのオーミックコンタクトを容易に得ることができる。
（２）次に、図３１に示すように、第２ミラー４０４、活性層４０３、第１ミラー４０２、第２分離層４１５、第２コンタクト層４５３および第４コンタクト層４１３、並びに、第１光吸収層４５２および第２光吸収層４１２のパターニングを行う。これらのパターニングは、前述の第１の実施形態に係る光素子１００の製造プロセスと同様にして行うことができる。
（３）次に、図３２に示すように、分離領域４６０（図２８および図２９参照）の形成領域以外の領域にレジスト層Ｒ５を形成する。次に、レジスト層Ｒ５をマスクとして、第１コンタクト層４５１および第３コンタクト層４１１をエッチングする。これにより、第１コンタクト層４５１および第３コンタクト層４１１のパターニングが行われる。さらに、レジスト層Ｒ５をマスクとして、例えばドライエッチング法により、基板４０１をエッチングする。これにより、分離領域４６０が形成される。その後、レジスト層Ｒ５を除去する。
（４）次に、図３３に示すように、酸化狭窄層４０５、および、第２コンタクト層４５３の上部にフォトニック結晶部４５３ａを形成する。
（５）次に、図２８および図２９に示すように、第１電極４０７、第２電極４０９、第３電極４５４、第４電極４５０、第５電極４１４、および、第６電極４１０を形成する。
以上の工程により、図２８および図２９に示すように、本実施形態の光素子４００が得られる。
４−４．作用・効果
本実施形態の光素子４００は、第１の実施形態における作用・効果の項で述べた作用・効果と、実質的に同じ作用・効果を有する。
さらに、本実施形態の光素子４００によれば、レーザ光の出射面４０８の上に第１光検出部４２２および第２光検出部４２０が形成されていない。従って、出射面４０８から出射されるレーザ光の出力が、第１光検出部４２２および第２光検出部４２０によって低下させられることがない。即ち、本実施形態の光素子４００によれば、レーザ光を効率良く外部に出射させることができる。
５．第５の実施形態
図３４は、本発明を適用した第５の実施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、第１の実施形態の光素子１００（図１および図２参照）と、半導体チップ２０と、光導波路（光ファイバ３０）とを含む。なお、図３４においては、光素子１００は、簡略化して表示されている。なお、本実施形態の光モジュール５００において、第１の実施形態の光素子１００の代わりに、上述した他の実施形態の光素子を用いた場合でも、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６および第７の実施形態においても同様である。
５−１．光モジュールの構造
光素子１００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いる。具体的には、第１光検出部１２２の第２コンタクト層１５３の上面、および、第２光検出部１２０の第４コンタクト層１１３の上面が、光ファイバ３０の端面３０ａと対向している。
半導体チップ２０は、光素子１００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１００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には、内部の回路に電気的に接続された複数の電極（またはパッド）２２が形成されている。電極２２が形成された面に、少なくとも一つの電極２２と電気的に接続された、配線パターン２４および配線パターン６４が形成されることが好ましい。
半導体チップ２０と光素子１００とは電気的に接続されている。例えば、配線パターン１４と、半導体チップ２０上に形成された配線パターン２４とが、ハンダ２６を介して電気的に接続されている。この配線パターン１４は、光素子１００の第１電極１０７（図３４では図示せず）と電気的に接続されている。また、配線パターン３４と、半導体チップ２０上に形成された配線パターン６４とが、ハンダ２６を介して電気的に接続されている。この配線パターン３４は、光素子１００の第２電極１０９（図３４では図示せず）と電気的に接続されている。また、光素子１００の第３電極１５４、第４電極１５０、第５電極１１４、および、第６電極１１０（図３４では図示せず）は、図示しない配線パターンと電気的に接続されている。
光素子１００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。これにより、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１００と半導体チップ２０とを固定することができる。なお、配線パターン１４と配線パターン２４との接続、並びに配線パターン３４と配線パターン６４との接続には、ワイヤまたは導電ペーストなどを用いることもできる。
光素子１００と半導体チップ２０との間に、アンダーフィル材４０を設けることができる。アンダーフィル材４０が光素子１００の上面を覆うときには、アンダーフィル材４０は透明であることが好ましい。アンダーフィル材４０は、光素子１００と半導体チップ２０との電気的な接続部分を覆って保護するとともに、光素子１００および半導体チップ２０の表面も保護する。さらに、アンダーフィル材４０は、光素子１００および半導体チップ２０の接合状態を保持する。
半導体チップ２０には、穴（例えば貫通穴）２８が形成されていてもよい。穴２８には光ファイバ３０が挿入される。穴２８は、内部の回路を避けて、電極２２が形成された面からその反対側の面に至るまで形成されている。穴２８の少なくとも一方の開口端部には、テーパー２９が形成されていることが好ましい。テーパー２９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。
半導体チップ２０は、支持基板４２に取り付けられることができる。より具体的には、半導体チップ２０は、接着剤４４を介して支持基板４２に貼り付けられることができる。支持基板４２には、穴４６が形成されている。支持基板４２の穴４６は、半導体チップ２０の穴２８と連通する位置に形成されている。半導体チップ２０と支持基板４２とを接着する接着剤４４は、穴２８と穴４６との連通を妨げないように、これらを塞がないように設けられる。支持基板４２の穴４６は、半導体チップ２０とは反対側の方向に内径が大きくなるように、テーパーが付された形状になっている。これにより、光ファイバ３０を挿入し易くすることができる。
支持基板４２は、樹脂、ガラスまたはセラミックなどの絶縁性を有する材料から形成されることができるが、金属などの導電性を有する材料から形成されることもできる。支持基板４２が導電性の材料からなるときには、支持基板４２の少なくとも半導体チップ２０が取り付けられる面に絶縁膜４３を形成することが好ましい。なお、以下の実施形態でも、支持基板４２として同様の材料を用いることができる。
また、支持基板４２は、高い熱伝導性を有することが好ましい。これにより、支持基板４２が、光素子１００および半導体チップ２０の少なくとも一方の熱の発散を促進する。この場合、支持基板４２はヒートシンクまたはヒートスプレッダとして機能する。本実施形態では、半導体チップ２０が支持基板４２に接着されているので、直接的に半導体チップ２０を冷却することができる。なお、半導体チップ２０と支持基板４２とを接着する接着剤４４は、高い熱伝導性を有することが好ましい。半導体チップ２０が冷却されることにより、半導体チップ２０に接合された光素子１００も冷却されることができる。
支持基板４２には、配線パターン４８が設けられている。また、支持基板４２には、外部端子５０が設けられている。本実施形態では、外部端子５０はリードである。支持基板４２に形成された配線パターン４８は、例えばワイヤ５２を介して、半導体チップ２０の電極２２、半導体チップ２０上に形成された配線パターン２４、および、配線パターン６４のうちの少なくとも１つと電気的に接続される。また、配線パターン４８は、外部端子５０と電気的に接続されることができる。
光ファイバ３０は、半導体チップ２０の穴２８に挿入されている。また、光ファイバ３０は、支持基板４２の穴４６にも挿入されている。穴４６は、半導体チップ２０の穴２８に向けて徐々に内径が小さくなっており、半導体チップ２０とは反対側の面では、穴４６の開口の内径は、光ファイバ３０の外径よりも大きくなっている。光ファイバ３０と穴４６の内面との間の隙間は、樹脂などの充填材５４で埋めることが好ましい。充填材５４は、光ファイバ３０を固定して抜け止めを図る機能も有する。
この光ファイバ３０はシングルモードファイバであってもよいし、マルチモードファイバであってもよい。光素子１００がマルチモードの光を出射する場合、光ファイバ３０としてマルチモードファイバを使用することにより、光素子１００からの出射光を光ファイバ３０に確実に導入することができる。
また、本実施形態の光モジュール５００においては、光素子１００および半導体チップ２０が樹脂５６で封止されている。樹脂５６は、光素子１００と半導体チップ２０との電気的な接続部分や、半導体チップ２０と支持基板４２に形成された配線パターン４８との電気的な接続部分も封止する。
第１の実施形態の項において説明したように、光素子１００の第１光検出部１２２は、双方向光通信のための受信用の光検出素子として機能する。即ち、第１光検出部１２２は、光ファイバ３０の端面３０ａから出射される光を検出する。具体的には、光ファイバ３０の端面３０ａから出射された光は、第１光検出部１２２の第１光吸収層１５２に入射されて、電流に変換される。この電流信号によって、光ファイバ３０を介して光素子１００と光学的に接続された外部のデバイス（以下、「外部デバイス」とも言う。）からの光信号が検知される。外部デバイスは、第１〜第４の実施形態に係る光素子であってもよい。
また、光素子１００の面発光レーザ１４０から出射されたレーザ光は、光ファイバ３０の端面３０ａに入射される。そして、このレーザ光は、光ファイバ３０内を伝播して、外部デバイスへと到達する。即ち、光素子１００から出力された光信号を、外部デバイスへ入力することができる。
従って、光素子１００の第１光検出部１２２および面発光レーザ１４０によって、双方向光通信を行うことが可能となる。なお、光素子１００の第２光検出部１２０は、面発光レーザ１４０のためのモニタ用の光検出素子として機能し、このことは、第１の実施形態の項において説明した通りである。
６．第６の実施形態
図３５は、本発明を適用した第６の実施形態の光伝送装置を示す図である。光伝送装置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、情報通信機器であることができる。光伝送装置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ることができる。ケーブル９４は、光モジュール５００（図３４参照）のうちの光ファイバ３０を含む。プラグ９６は、光モジュール５００のうちの光ファイバ３０と、光素子１００との光結合部位を内蔵する。なお、光ファイバ３０は、ケーブル９４に内蔵され、光素子１００は、プラグ９６に内蔵されているため、図示されていない。光ファイバ３０と光素子１００との取り付け状態は、第５の実施形態にて説明した通りである。
光ファイバ３０の一方の端部には、第１の実施形態の光素子１００が設けられており、光ファイバ３０の他方の端部には、他の第１の実施形態の光素子１００（以下、「他の光素子１００」とも言う。）が設けられている。一方の電子機器９２から出力された電気信号は、光素子１００の面発光レーザ１４０によって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、他の光素子１００に入力される。他の光素子１００の第１光検出部１２２は、入力された光信号を電気信号に変換した後、この電気信号を他方の電子機器９２に入力する。
以上説明したように、本実施形態の光伝送装置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。
７．第７の実施形態
図３６は、本発明を適用した第７の実施形態の光伝送装置の使用形態を示す図である。光伝送装置９０は、電子機器８０間に接続されている。電子機器８０としては、液晶表示モニタまたはデジタル対応の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、あるいは、プリンタなどが挙げられる。
上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。
例えば、上述した実施形態では、フォトニック結晶部が、穴または溝の周期的な配列により形成される場合について説明したが、これらに限られず、例えば柱状突起の周期的な配列によって屈折率分布を生じさせてフォトニック結晶部を実現することもできる。
また、例えば、光素子に採用される層構造に応じて、各電極を適宜入れ替えて設けることができる。
また、例えば、上述した実施形態の光素子１００では、面発光レーザ１４０が柱状部１３０を一つ有する場合について説明したが、面発光レーザ１４０が柱状部１３０を複数個有する場合、あるいは、柱状部１３０を有しない場合においても本発明の形態は損なわれない。また、複数の光素子１００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奏する。
また、例えば、上述した実施形態において、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。また、上述した実施形態の面発光レーザ１４０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、ＡｌＧａＰ系、ＧａＩｎＰ系、ＺｎＳＳｅ系、ＩｎＧａＮ系、ＡｌＧａＮ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＩｎＮＡｓ系、ＧａＡｓＳｂ系などの半導体材料を用いることも可能である。また、上述した実施形態の第１光検出部１２２および第２光検出部１２０では、ＧａＡｓ系のものについて説明したが、入射光の波長に応じてその他の材料系、例えば、Ｓｉ系、Ｇｅ系、ＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＨｇＣｄＴｅ系などの半導体材料を用いることも可能である。
第１の実施形態に係る光素子を模式的に示す断面図。 第１の実施形態に係る光素子を模式的に示す平面図。 第１の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第１の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第１の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第１の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第１の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第１の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第１の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第１の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第１の実施形態に係る光素子の変形例を模式的に示す断面図。 第１の実施形態に係る光素子の変形例を模式的に示す断面図。 第１の実施形態に係る光素子の変形例を模式的に示す断面図。 第２の実施形態に係る光素子を模式的に示す断面図。 第２の実施形態に係る光素子を模式的に示す平面図。 第２の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第２の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第２の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第２の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第２の実施形態に係る光素子の変形例を模式的に示す断面図。 第３の実施形態に係る光素子を模式的に示す断面図。 第３の実施形態に係る光素子を模式的に示す平面図。 第３の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第３の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第３の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第３の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第３の実施形態に係る光素子の変形例を模式的に示す断面図。 第４の実施形態に係る光素子を模式的に示す断面図。 第４の実施形態に係る光素子を模式的に示す平面図。 第４の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第４の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第４の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第４の実施形態に係る光素子の製造方法を模式的に示す断面図。 第５の実施形態に係る光モジュールを模式的に示す図。 第６の実施形態に係る光伝送装置を模式的に示す図。 第７の実施形態に係る光伝送装置の使用形態を模式的に示す図。
符号の説明
１４ 配線パターン、２０ 半導体チップ、２２ 電極、２４ 配線パターン、２６ ハンダ、２９ テーパー、３０ 光ファイバ、３４ 配線パターン、４０ アンダーフィル材、４２ 支持基板、４３ 絶縁膜、４４ 接着剤、４８ 配線パターン、５０ 外部端子、５２ ワイヤ、５４ 充填材、５６ 樹脂、６４ 配線パターン、８０ 電子機器、９０ 光伝送装置、９２ 電子機器、９４ ケーブル、９６ プラグ、１００ 光素子、１０１ 基板、１０２ 第１ミラー、１０３ 活性層、１０４ 第２ミラー、１０５ 酸化狭窄層、１０７ 第１電極、１０９ 第２電極、１１０ 第６電極、１１１ 第３コンタクト層、１１２ 第２光吸収層、１１３ 第４コンタクト層、１１４ 第５電極、１１５ 第２分離層、１１６ 第２中間層、１２０ 第２光検出部、１２２ 第１光検出部、１３０ 柱状部、１４０ 面発光レーザ、１５０ 第４電極、１５１ 第１コンタクト層、１５２ 第１光吸収層、１５３ 第２コンタクト層、１５４ 第３電極、１５５ 第１分離層、１５６ 第１中間層、１５７ 保護層、１７０ 半導体多層膜、１８０ 第２レンズ部、１８２ 第１レンズ部、２００ 光素子、２０５ 酸化狭窄層、２０７ 第１電極、２０９ 第２電極、２１０ 第６電極、２１２ 第２光吸収層、２１４ 第５電極、２１５ 第２分離層、２１８ 第２土台部、２１９ 第２電荷輸送層、２２０ 第２光検出部、２２２ 第１光検出部、２５０ 第４電極、２５２ 第１光吸収層、２５４ 第３電極、２５５ 第１分離層、２５８ 第１土台部、２５９ 第１電荷輸送層、３００ 光素子、３０５ 酸化狭窄層、３０７ 第１電極、３０９ 第２電極、３１０ 第６電極、３１２ 第２光吸収層、３１４ 第５電極、３１５ 第２分離層、３１８ 第２土台部、３１９ 第２電荷輸送層、３２０ 第２光検出部、３２２ 第１光検出部、３５０ 第４電極、３５２ 第１光吸収層、３５４ 第３電極、３５５ 第１分離層、３５８ 第１土台部、３５９ 第１電荷輸送層、４００ 光素子、４０１ 基板、４０２ 第１ミラー、４０３ 活性層、４０４ 第２ミラー、４０５ 酸化狭窄層、４０７ 第１電極、４０８ 出射面、４０９ 第２電極、４１０ 第６電極、４１１ 第３コンタクト層、４１２ 第２光吸収層、４１３ 第４コンタクト層、４１４ 第５電極、４１５ 第２分離層、４２０ 第２光検出部、４２２ 第１光検出部、４４０ 面発光レーザ、４５０ 第４電極、４５１ 第１コンタクト層、４５２ 第１光吸収層、４５３ 第２コンタクト層、４５４ 第３電極、４６０ 分離領域、４７０ 半導体多層膜、５００ 光モジュール

Claims (19)

  1. 基板と、
    前記基板の上方に、該基板側から形成された、第１ミラーと、活性層と、第２ミラーと、を含む面発光型半導体レーザと、
    前記基板の上方に形成された第１光検出部と、
    前記基板の上方に形成された第２光吸収層を有する第２光検出部と、
    前記面発光型半導体レーザと、前記第１光検出部および前記第２光検出部のうちの少なくとも一方との間に形成された分離層と、を含み、
    前記第１光検出部は、
    前記基板の上方に形成された第１光吸収層と、
    前記第１光吸収層の上方または下方に形成されたフォトニック結晶部と、を含み、
    前記フォトニック結晶部は、前記第１光検出部に入射する光の方向と交差する面内に周期的な屈折率分布を有する１次元または２次元のフォトニック結晶構造を有し、かつ、前記第１光検出部に入射する光のうちの少なくとも一部が、前記第１光吸収層の面内に分布して伝搬するように形成されており、
    前記第１光検出部は、双方向光通信のための受信用の光検出素子として機能し、かつ、前記第２光検出部は、前記面発光型半導体レーザのためのモニタ用の光検出素子として機能し、あるいは、
    前記第１光検出部は、前記面発光型半導体レーザのためのモニタ用の光検出素子として機能し、かつ、前記第２光検出部は、双方向光通信のための受信用の光検出素子として機能する、光素子。
  2. 請求項１において、
    前記第１光検出部は、さらに、
    前記第１光吸収層の下方に形成された第１コンタクト層と、
    前記第１光吸収層の上方に形成された第２コンタクト層と、を含み、
    前記第１光吸収層は、半導体からなり、
    前記第２コンタクト層は、前記フォトニック結晶部を有する、光素子。
  3. 請求項１において、
    前記第１光検出部は、さらに、
    前記第１光吸収層の下方に形成され、凹部を有する土台部と、
    少なくとも前記凹部内に形成された第１電極と、
    前記第１光吸収層の上方に形成された第２電極と、
    前記第１の電極と前記第１光吸収層との間、および、前記第２の電極と前記第１光吸収層との間のうちの少なくとも一方に形成された電荷輸送層と、を含み、
    前記第１光吸収層は、有機材料からなり、
    前記電荷輸送層は、前記フォトニック結晶部を有する、光素子。
  4. 基板と、
    前記基板の上方に、該基板側から形成された、第１ミラーと、活性層と、第２ミラーと、を含む面発光型半導体レーザと、
    前記基板の上方に形成された第１光吸収層を有する第１光検出部と、
    前記基板の上方に形成された第２光吸収層を有する第２光検出部と、
    前記面発光型半導体レーザと、前記第１光検出部および前記第２光検出部のうちの少なくとも一方との間に形成された分離層と、を含み、
    前記第１光吸収層は、フォトニック結晶部を有し、
    前記フォトニック結晶部は、前記第１光検出部に入射する光の方向と交差する面内に周期的な屈折率分布を有する１次元または２次元のフォトニック結晶構造を有し、かつ、前記第１光検出部に入射する光のうちの少なくとも一部が、前記第１光吸収層の面内に分布して伝搬するように形成されており、
    前記第１光検出部は、双方向光通信のための受信用の光検出素子として機能し、かつ、前記第２光検出部は、前記面発光型半導体レーザのためのモニタ用の光検出素子として機能し、あるいは、
    前記第１光検出部は、前記面発光型半導体レーザのためのモニタ用の光検出素子として機能し、かつ、前記第２光検出部は、双方向光通信のための受信用の光検出素子として機能する、光素子。
  5. 請求項４において、
    前記第１光検出部は、さらに、
    前記第１光吸収層の下方に形成され、凹部を有する土台部と、
    少なくとも前記凹部内に形成された第１電極と、
    前記第１光吸収層の上方に形成された第２電極と、を含み、
    前記凹部の底面には、複数の突起部が周期的に配列されており、
    前記第１光吸収層は、有機材料からなり、前記複数の突起部を被覆するように形成されている、光素子。
  6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
    前記第１光検出部は、前記第２ミラーの上方に形成されており、
    前記第２光検出部は、前記第２ミラーの上方に形成されている、光素子。
  7. 請求項１〜５のいずれかにおいて、
    前記第１光検出部と、前記第２光検出部との間に形成された分離領域を有し、
    前記面発光型半導体レーザは、前記第２検出部の上方に形成されており、
    前記分離層は、前記面発光型半導体レーザと、前記第２光検出部との間に形成されており、
    前記第１光検出部は、双方向光通信のための受信用の光検出素子として機能し、
    前記第２光検出部は、前記面発光型半導体レーザのためのモニタ用の光検出素子として機能する、光素子。
  8. 請求項１〜７のいずれかにおいて、
    前記フォトニック結晶部は、周期的に配列された溝、穴、および、柱状突起のうちの少なくともいずれかを有する、光素子。
  9. 請求項１〜８のいずれかにおいて、
    前記第２光検出部は、前記第２光吸収層の上方または下方に形成された他のフォトニック結晶部を有し、
    前記他のフォトニック結晶部は、前記第２光検出部に入射する光の方向と交差する面内に周期的な屈折率分布を有する１次元または２次元のフォトニック結晶構造を有し、かつ、前記第２光検出部に入射する光のうちの少なくとも一部が、前記第２光吸収層の面内に分布して伝搬するように形成されている、光素子。
  10. 請求項９において、
    前記第２光検出部は、さらに、
    前記第２光吸収層の下方に形成された第３コンタクト層と、
    前記第２光吸収層の上方に形成された第４コンタクト層と、を含み、
    前記第２光吸収層は、半導体からなり、
    前記第３コンタクト層は、前記他のフォトニック結晶部を有する、光素子。
  11. 請求項９において、
    前記第２光検出部は、さらに、
    前記第２光吸収層の下方に形成され、凹部を有する土台部と、
    少なくとも前記凹部内に形成された第３電極と、
    前記第２光吸収層の上方に形成された第４電極と、
    前記第３の電極と前記第２光吸収層との間、および、前記第４の電極と前記第２光吸収層との間のうちの少なくとも一方に形成された電荷輸送層と、を含み、
    前記第２光吸収層は、有機材料からなり、
    前記電荷輸送層は、前記フォトニック結晶部を有する、光素子。
  12. 請求項１〜８のいずれかにおいて、
    前記第２光吸収層は、他のフォトニック結晶部を有し、
    前記他のフォトニック結晶部は、前記第２光検出部に入射する光の方向と交差する面内に周期的な屈折率分布を有する１次元または２次元のフォトニック結晶構造を有し、かつ、前記第２光検出部に入射する光のうちの少なくとも一部が、前記第２光吸収層の面内に分布して伝搬するように形成されている、光素子。
  13. 請求項１２において、
    前記第２光検出部は、さらに、
    前記第２光吸収層の下方に形成され、凹部を有する土台部と、
    少なくとも前記凹部内に形成された第３電極と、
    前記第２光吸収層の上方に形成された第４電極と、を含み、
    前記凹部の底面には、複数の突起部が周期的に配列されており、
    前記第２光吸収層は、有機材料からなり、前記複数の突起部を被覆するように形成されている、光素子。
  14. 請求項９〜１３のいずれかにおいて、
    前記他のフォトニック結晶部は、周期的に配列された溝、穴、および、柱状突起のうちの少なくともいずれかを有する、光素子。
  15. 請求項１〜１４のいずれかにおいて、
    前記第１光吸収層の上方または下方であって、該第１光吸収層における光が入射する側とは反対側に形成された第１光反射層、および、前記第２光吸収層の上方または下方であって、該第２光吸収層における光が入射する側とは反対側に形成された第２光反射層のうちの少なくとも一方を有し、
    前記第１光反射層は、屈折率の異なる複数の半導体層を積層したものであって、前記第１光吸収層を透過した光を反射させ、
    前記第２光反射層は、屈折率の異なる複数の半導体層を積層したものであって、前記第２光吸収層を透過した光を反射させる、光素子。
  16. 請求項１〜１５のいずれかにおいて、
    前記第１光吸収層の上方または下方であって、該第１光吸収層における光が入射する側に形成された第１無反射コート層、および、前記第２光吸収層の上方または下方であって、該第２光吸収層における光が入射する側に形成された第２無反射コート層のうちの少なくとも一方を有する、光素子。
  17. 請求項１〜１６のいずれかにおいて、
    前記第１光検出部および前記第２光検出部のうちの少なくとも一方の上方に、液滴吐出法によって形成されたレンズ部を有する、光素子。
  18. 請求項１〜１７のいずれかに記載の光素子と、
    光導波路と、を含む、光モジュール。
  19. 請求項１８に記載の光モジュールを含む、光伝送装置。
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