JPS63231304A - 薄膜レンズ - Google Patents

薄膜レンズ

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Publication number
JPS63231304A
JPS63231304A JP6482787A JP6482787A JPS63231304A JP S63231304 A JPS63231304 A JP S63231304A JP 6482787 A JP6482787 A JP 6482787A JP 6482787 A JP6482787 A JP 6482787A JP S63231304 A JPS63231304 A JP S63231304A
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JP
Japan
Prior art keywords
thin film
lens
film lens
refractive index
semiconductor
Prior art date
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Pending
Application number
JP6482787A
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English (en)
Inventor
Naoyuki Ito
直行 伊藤
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Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/122Basic optical elements, e.g. light-guiding paths
    • G02B6/124Geodesic lenses or integrated gratings
    • G02B6/1245Geodesic lenses

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Integrated Circuits (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体レーザなどが発する光ビームの集光に適
した薄膜レンズに関する。
〔従来の技術〕
従来提案されている薄膜レンズには以下の様なものがあ
る。
1、 第4図には従来提案されている薄膜レンズの断面
概略図を示す。
禁制帯幅xrA、屈折率3Aなる半導体A19と禁制帯
幅KrB、屈折率屈折ケル半導体B20がE2ム(Ft
fB  、  3A>WBなる条件を満たすとき、単結
晶基板21上に半導体A19からなる厚さdhl、dh
、 、・・・・・・・・・dAn−1、dAn 及び半
導体B20からなる厚さdBlydB!F・・・・・・
・・・dBrl−1p  の薄膜を交互に積層する。
しかる後に、半導体Aからなる厚さdAn、dAH−1
、・・・・・・・・・2人、、dAl及び半導体Bから
なる厚さdBn−□、dBn−2.・−・−−−−−d
B、、dBlの薄膜を交互に積層し、Bn層に対し、対
称な薄膜積層構造を形成する。この時、nム、nBを適
当に選び、かつ、各層の厚さを徐々に変化させることに
より、集光性を呈する様な屈折率分布、即ち薄膜レンズ
22の中央部において屈折率が最も高く、中央部から基
板方向及び積層方向に屈折率が徐々に減少する様な屈折
率分布を形成する。
(例えば、公開特許公報 昭60−216301参照) 2 第5図には従来提案されている薄膜レンズの断面概
略図を示す。
禁制帯幅ErA 、屈折率nAなる半導体Aと 禁制帯
幅KrB 、屈折率fiBなる半導体B がErA(E
ra  、  n A)n nなる条件を満たす時、単
結晶基板25上に半導体Aと半導体Bの混晶からなる半
導体単結晶薄膜の混晶組成比を、薄膜の成長方向に変化
させることにより、集光性を呈する様な屈折率分布、即
ち、薄膜レンズ24の中央部光軸25において屈折率が
最も高く、中央部から基板方向及び積層方向に屈折率が
徐々に減少する様な屈折率分布を形成する。
第6図、第7図にそれぞれ、eaレンズの厚さ方向にお
ける組成分布及び屈折率分布の一例を示す。
五 第8図には従来提案されている薄膜レンズの概略図
を示す、Aは平面図、Bは断面図である。
平面図Aにおいて、26は光導波層を表わし、27は光
導波層26に埋め込まれたレンズ領域を表わしている。
28は光線軌跡を表わし、レンズ領域27を通過する光
線が集光される様子を示している。
断面図Bにおいて、26及び27はそれぞれ光導波層、
レンズ領域を表わし、29はクラツディング層30が基
板である。ここで、レンズ領域27、光導波層26.ク
ラツディング層29.基板30の屈折率をそれぞれ n
L 、nW、no 、nsとすると、 n L > n w ) n 。
なる関係を満たす様に、レンズ領域、光導波層。
クラツディング層となる半導体材料を選択している。
nvr ) ns なる関係が、光導波層と基板の材料の間に成立する場合
は、クラツディング層29は設けなくても良い、レンズ
の集光特性は、レンズ領域27の形状とレンズ領域27
と光導波層26及びクラツディング層29との屈折率差
により任意に設定ができる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
前述の従来技術は次の様な問題点を有する。
半導体レーザなどの発光デバイスの発光波長は、一般に
、デバイスの置かれている環境の温度変化あるいは、デ
バイスの使用条件等によって変化する。一方、従来の薄
膜レンズのレンズ領域における屈折率はレンズを通過す
る光の波長により変化する。このため、発光デバイスの
発光波長が変化すると薄膜レンズの焦点距離が変化する
という問題を生じる。さらに、標準状態で発光デバイス
と薄膜レンズの位置関係を決定した場合、薄膜レンズの
焦点距離の変化は、集光ビーム径の増大や、光ファイバ
ーをはじめとする他の光学素子との結合効率を低下させ
る原因となる。
そこで、本発明はこのような問題点を解決するもので、
その目的とするとこδは、発光デバイスの発光波長の変
化に伴なう焦点距離の変化が補正可能な薄膜レンズを提
供するところにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明の薄膜レンズは、単結晶基板上に形成された半導
体薄膜からなるレンズ領域と該レンズ領域に午ヤリアー
を注入するための電極から構成されることを特徴とする
〔作用〕
本発明の上記構成によれば、キャリア注入用電極からレ
ンズ領域へと午ヤリアーが注入されると、注入されたキ
ャリアーの童に応じてフェルミレベルがシフトするため
、見かけ上バンドギャップが変化する。これに伴ない、
レンズ領域の実効屈折率が変化する。従って、レンズ領
域に注入するキャリアーの量を変えることにより、薄膜
レンズの焦点距離を制御することが可能となる。
〔実施例〕
以下実施例に従い、本発明を説明する。
(実施例1) 第1図には、本発明の7g膜レンズの一実施例を示す概
略断面図を示す。
GaAs、 G a p e工np、Si、Goなどの
ルー型又はp−型導電性を有する単結晶基板1上にn 
A)n s 、ErA(ErB  を満たす半導体Aと
半導体Bからなり、基板1と同じ極性の導電性を有する
薄膜レンズ2が形成されている。3は薄膜レンズの光軸
である。薄膜レンズ2内部の混晶組成比は、基板1と薄
膜レンズ2の界面近傍において半導体Bに一致し、z軸
方向に順次半導体Aの割合力;増加し、光軸3において
半導体Aと一致する。光軸より上方の領域の混晶組成比
は、光軸の上方領域と下方領域の混晶組成分布が光軸に
対し対称となる様に変化し、光軸3における半導体Aか
ら順次半導体Bの割合が増加し、薄膜レンズの上部にお
いて半導体Bに一致する。薄膜レンズを構成する半導体
A、半導体Bの具体的な組み合せを表1に示す。
半導体A、Bは表1の組み合せに限らず、GaAs又は
工np基板上の工nGaInp、Ga工np、GaAs
、Gap  基板上のZnSSe  などの多元混晶を
はじめとする、m−v族化合物半導体、II−Vl族化
合物半導体、■族半導体を用いることができる。
半導体A、Bの組み合せは作製する薄膜レンズの仕様、
使用波長に応じ適当に組み合せる事が可能である。第1
図において、4,5はそれぞれ、基板1及び薄膜レンズ
2に形成したオーム性コンタクトである。オーム性コン
タクトから電源への電気的接続を行なうことにより、薄
膜レンズ2へのキャリアー注入が可能となる。薄膜レン
ズにキャリアーの注入を行なうと、見かけ上バンドギャ
ップが拡がるため、薄膜レンズの実効屈折率が低下し、
その焦点距離はキャリアー注大童即ち、薄膜レンズへの
通電鈑に応じて長くなる。実際の使用にあたっては、あ
らかじめA[レンズにバイアス電流を流した状態で、半
導体レーザなどの光源と薄膜レンズの位!関係をM4節
しておく。yC源の発光成長が変化した場合には、薄膜
レンズの屈折率の波長依存性を考短し屈折率の変化を補
償する様、電流値の増減を行なうことにより、焦点距離
を一定に保持できる。半導体材料の屈折率は、一般には
成長が長くなるにつれて減少するため、)le源の発光
波長が長くなった場合には、薄膜レンズの屈折率も減少
する。これを補償するためには薄膜レンズへの通電披を
減少すれば良い。
太JFi l]IJのJ+b lea L/ ’/ズf
l C’u IMI L−木ナー4τL+  JAR形
成に於ては、MOC!VD法、MBE法、などにより容
易に実施できる。また、基板及び薄膜レンズへのオーム
性コンタクトの形成は、半導体レーザや発光ダイオード
、フォトダイオードなどの製造におけるコンタクト形成
工程と同様に、適当な電極材料を蒸着した後、不活性雰
囲気中でアニールを施すことにより容易に行なえる。
(実施例2) 第2図は、本発明の薄膜レンズの一実施Vすを示す概略
断面図である。第4図に示す従来例と同様に、単結晶基
板6上に、nA)n n 、Eハ(Jyaを満たす半導
体A7と半導体B8の薄膜を交互に積層し、レンズ領域
9が形成されている。レンズ領域の中央部において、屈
折率が高くなる様に、半導体人及びBの屈折率と、各薄
膜の厚さを設定する。基板6及びレンズ領域9はルー型
又はp −型の導電性を有し、両者の導電性は一致する
様に不純物の添加を行なう、10及び11はそれぞれレ
ンズ領域9及び基板6に形成したオーム性コンタクトで
ある。単結晶基板6及びレンズ領域9を構成する半導体
A、Bは(実h■例1)と同様に、任意のm−v族化合
物半導体、n−Vl族化合物半導体、■族半導体を用い
ることができる。又、薄膜レンズの作製も(実施例1)
と同様に行なえる、本実施例の薄膜レンズにおいて、オ
ーム性コンタクトを介してキャリアーの注入を行なうこ
とにより薄膜レンズの屈折率及び焦点距離を制御できる
点も(実施例1)と同様である。
(実施例3) 第5図は、本発明の薄膜レンズの一実施例を示す。人は
平面図、Bは断面図である。第8図に示す従来例と同様
に、単結晶基板12上に形成したクラツディング層13
.光導R層14.レンズ領域15から構成されている。
基板12.クラツディング層13.レンズ領域15は同
一の導電性を有し、14は高抵抗J−とする。レンズ領
域15.光導波層14.クラツディング層13.基板1
2の屈折率をそれぞれ nL、nW、no、nflとす
ると、 n x、 ) n w ) n 。
なる関係を満たす様に、レンズ領域、光導波M。
クラツディング層の材料を選択する。
n w ) n s なる関係が、光導波層と基板の材料の間に成立する場合
には、クラツディング層13を設けなくても良い、16
及び17は、それぞれレンズ領域15、基板12に形成
したオーム性コンタクトである。
単結晶基板12及びクラツディングN13、光導波層1
4.レンズ領域15を構成する材料としては、(実施例
1,2)と同様に、任意のm−v族化合物半導体、II
−VI族化合物半導体、■族半導体を用いることができ
る。又、薄膜レンズの作製も、(実施例1)と同様に行
なえる。レンズ領域15の形成は以下の様に行なう、光
導波層14の一部分を、所望とする薄膜レンズの形状に
応じて、フォトリソグラフィー技術とエツチングにより
除去する。しかる後に、除去して形成された開口部を埋
め込む様にレンズ材料の選択的エピタキシャル成長する
1本実施例の薄膜レンズの集光特性が、レンズの形状と
レンズを構成する材料の組み合せにより任意に設計でき
る点は従来例と同じである。又、オーム性コンタクト1
6.17を介してキャリアーの注入を行なうことにより
、薄膜レンズの屈折率及び焦点距離を制御できる点は、
(実施例1,2)と同様である。
本発明の薄膜レンズは、単独の光学素子として半導体レ
ーザ、ゲCファイバーなどから出射される光ビームの集
光に用いるのみでなく、半導体レーザやフォトダイオー
ドなどと共に同一基板上にモノリシックに集積し、光集
積化素子へと応用することも可能である。
〔発明の効果〕
以上述べた様に、本発明によれば、単結晶基板上に形成
された半導体薄膜からなるレンズ領域と該レンズ領域に
キャリアーを注入するための電極とから薄膜レンズを構
成することにより、半導体レーザなどの発光デバイスの
発光波長が変化することによって生ずる角点距離の変化
を、薄膜レンズに注入するキャリアーの量、即ち通電電
流値の大きさにより容易に制御ができる様になった。
本発明の薄膜レンズは半導体レーザ、フォトダイオード
などとの集積化が容易にできることから光集積回路や光
集積デバイスを作製する際に、極めて重要な構成要素に
なるものと確信する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の薄膜レンズの一実施例を示す概略断面
図。 1・・・・・・・・・単結晶基板 2・・・…・・・薄膜レンズ 3・・・・・・・・・光 軸 4.5・・・オーム性コンタクト 第2図は本発明の薄膜レンズの一実施例を示す概略断面
図。 6・・・・・・・・・単結晶基板 7・・・・・・・・・半導体A 8・・・・・・・・・hP等体B 9・・・・・・・・・レンズ領域 10.11・・・・・・オーム性コンタクト第5図(A
)、(B)は本発明の薄膜レンズの一実施例を示す概略
図で、Aが平面図、Bが断面図である。 12・・・・・・単結晶基板 13・・・・・・クラツディング層 14・・・・・・光導波層 15・・・・・・レンズ領域 1(S、17・・・・・・オーム性コンタクト18・・
・・・・光線軌跡 第4図は従来提案されている′Ni膜レンズの断面概略
図。 19・・・・・・半導体A 20・・・・・・半4体B 21・・・・・・単結晶基板 22・・・・・・薄膜レンズ 第5図は従来提案されている薄膜レンズの断面概略図。 26・・・・・・単結晶基板 24・・・・・・薄膜レンズ 25・・・・・・光軸 第6図は従来提案されている薄膜レンズの厚さ方向にお
ける組成分布。 第7図は従来提案されている薄膜レンズの厚さ方向にお
ける屈折率分布。 第6図(A)、(B)は従来提案されている薄膜レンズ
の構成概略図、Aは平面図、Bは断面図26・・・・・
・光導波層 27・・・・・・レンズ領゛域 28・・・・・・光線軌跡 29・・・・・・クラツディング層 30・・・・・・基 板 以  上 λ: ど蒔、゛に灸シンX 第1区 第2目 lり、 トンス゛々負粘X 争3図 工 茅LJ、、田 ル6       ル^ 華S図

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)単結晶基板上に形成された半導体薄膜からなるレ
    ンズ領域と該レンズ領域にキャリアーを注入するための
    電極から構成されることを特徴とする薄膜レンズ。
  2. (2)レンズ領域を形成する半導体薄膜がIII−V族化
    合物半導体薄膜、II−VI族化合物半導体薄膜、IV族半導
    体薄膜のうちいずれか一種類又はそれ以上であることを
    特徴とする特許請求の範囲第1項記載の薄膜レンズ。
JP6482787A 1987-03-19 1987-03-19 薄膜レンズ Pending JPS63231304A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02213805A (ja) * 1989-02-15 1990-08-24 Mitsubishi Electric Corp 導波路レンズおよび光機能素子の構造およびその製造方法
JP2005266187A (ja) * 2004-03-18 2005-09-29 Brother Ind Ltd 波面曲率変調器および画像表示装置

Cited By (3)

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