(57)【要約】【課題】  光検出素子が面発光型半導体レーザの光学特性に与える影響を抑制することのできる光素子および光モジュールを提供する。【解決手段】  本発明にかかる光素子１００は、面発光型半導体レーザ１４０と、前記面発光型半導体レーザの出射面の上方に形成された光検出素子１２０と、を含み、前記光検出素子は、光吸収層を有する半導体層１２２を含み、  前記半導体層は、下記式（１）を満たす膜厚ｄを有する。  （２ｍ−１）λ／４ｎ−３λ／１６ｎ＜ｄ＜（２ｍ−１）λ／４ｎ＋３λ／１６ｎ・・・（１）〔式（１）において、ｍは整数、ｎは半導体層の屈折率、λは設計波長を示す。〕【選択図】      図１
2007019313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザの出射面の上方に形成された光検出素子と、
を含み、
前記光検出素子は、光吸収層を有する半導体層を含み、
前記半導体層は、下記式（１）を満たす膜厚ｄを有する、光素子。
（２ｍ−１）λ／４ｎ−３λ／１６ｎ＜ｄ＜（２ｍ−１）λ／４ｎ＋３λ／１６ｎ・・・（１）
〔式（１）において、ｍは整数、ｎは半導体層の屈折率、λは面発光型半導体レーザの設計波長を示す。〕
【請求項２】
請求項１において、
前記半導体層は、下記式（２）を満たす膜厚ｄを有する、光素子。
（２ｍ−１）λ／４ｎ−λ／８ｎ＜ｄ＜（２ｍ−１）λ／４ｎ＋λ／８ｎ・・・（２）
〔式（２）において、ｍは整数、ｎは半導体層の屈折率、λは面発光型半導体レーザの設計波長を示す。〕
【請求項３】
請求項１または２において、
λを面発光型半導体レーザの設計波長、ｎを半導体層の屈折率とした場合、
前記半導体層の膜厚ｄは、λ／４ｎの奇数倍である、光素子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記面発光型半導体レーザは、
下部ミラーと、
前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、
を有し、
前記半導体層は、
前記上部ミラーの上方に形成された第１コンタクト層と、
前記第１コンタクト層の上方に形成された光吸収層と、
前記光吸収層の上方に形成された第２コンタクト層と、
を有する、光素子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記面発光型半導体レーザと前記光検出素子との間に形成された分離層をさらに含む、光素子。
【請求項６】
面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザの出射面の上方に形成された光検出素子と、
を含み、
前記光検出素子は、光吸収層を有する半導体層を含み、
前記半導体層は、面発光型半導体レーザが設計する光の波長が、ファブリ・ペロー共振の中心波長と一致しない膜厚を有する、光素子。
【請求項７】
面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザの出射面の上方に形成された光検出素子と、
を含み、
前記光検出素子は、光吸収層を有する半導体層を含み、
λを面発光型半導体レーザの設計波長、ｎを半導体層の屈折率とした場合、
前記半導体層の膜厚ｄは、λ／４ｎの偶数倍以外である、光素子。
【請求項８】
面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザの出射面の上方に形成された光検出素子と、
外部からの光を受光する受光素子と、
を含み、
前記光検出素子は、光吸収層を有する半導体層を含み、
前記半導体層は、下記式（１）を満たす膜厚ｄを有する、光モジュール。
（２ｍ−１）λ／４ｎ−３λ／１６ｎ＜ｄ＜（２ｍ−１）λ／４ｎ＋３λ／１６ｎ・・・（１）
〔式（１）において、ｍは整数、ｎは半導体層の屈折率、λは面発光型半導体レーザの設計波長を示す。〕
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光素子および光モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型半導体レーザは、環境温度等の影響により活性層の温度が変化し、利得に温度依存が生じるために、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素子が備えられている場合がある。通常、光検出素子は、面発光型半導体レーザの出射方向に対して斜めに設けられた反射板により反射された光を検出する。
【０００３】
また、非特許文献１や特許文献１には、光検出素子を面発光型半導体レーザ上に設けることにより、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光素子が開示されている。この光素子によれば、上述した反射板が不要となり、光素子の小型化およびアライメントコストの低減を図ることができる。
【０００４】
しかし、このような光素子においては、光検出素子が面発光型半導体レーザの光学特性に影響を与える場合がある。
【特許文献１】特開平１０−１３５５６８号公報
【非特許文献１】Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers for Optical Data Storage, Jpn. J. Appl. Phys. vol. 35 (1996) pp. 506-507
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、光検出素子が面発光型半導体レーザの光学特性に与える影響を抑制することのできる光素子および光モジュールを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかる光素子は、
面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザの出射面の上方に形成された光検出素子と、
を含み、
前記光検出素子は、光吸収層を有する半導体層を含み、
前記半導体層は、下記式（１）を満たす膜厚ｄを有する。
【０００７】
（２ｍ−１）λ／４ｎ−３λ／１６ｎ＜ｄ＜（２ｍ−１）λ／４ｎ＋３λ／１６ｎ・・・（１）
〔式（１）において、ｍは整数、ｎは半導体層の屈折率、λは設計波長を示す。〕
なお、本発明に係る記載では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下、「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）を形成する」などと用いる場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という文言を用いている。
【０００８】
本発明にかかる光素子において、
前記半導体層は、下記式（２）を満たす膜厚を有する、光素子。
【０００９】
（２ｍ−１）λ／４ｎ−λ／８ｎ＜ｄ＜（２ｍ−１）λ／４ｎ＋λ／８ｎ・・・（２）
〔式（２）において、ｍは整数、ｎは半導体層の屈折率、λは設計波長を示す。〕
本発明にかかる光素子において、
前記半導体層の膜厚ｄは、λ／４ｎの奇数倍であることができる。
【００１０】
本発明にかかる光素子において、
前記面発光型半導体レーザは、
下部ミラーと、
前記下部ミラーの上方に形成された活性層と、
前記活性層の上方に形成された上部ミラーと、
を有し、
前記半導体層は、
前記上部ミラーの上方に形成された第１コンタクト層と、
前記第１コンタクト層の上方に形成された光吸収層と、
前記光吸収層の上方に形成された第２コンタクト層と、
を有することができる。
【００１１】
本発明にかかる光素子において、
前記面発光型半導体レーザと前記光検出素子との間に形成された分離層をさらに含むことができる。
【００１２】
本発明にかかる光素子は、
面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザの出射面の上方に形成された光検出素子と、
を含み、
前記光検出素子は、光吸収層を有する半導体層を含み、
前記半導体層は、面発光型半導体レーザが発振する光の波長が、ファブリ・ペロー共振の中心波長と一致しないような膜厚を有する。
【００１３】
本発明にかかる光素子は、
面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザの出射面の上方に形成された光検出素子と、
を含み、
前記光検出素子は、光吸収層を有する半導体層を含み、
前記半導体層の膜厚ｄは、λ／４ｎの偶数倍以外である。
【００１４】
本発明にかかる光モジュールは、
面発光型半導体レーザと、
前記面発光型半導体レーザの出射面の上方に形成された光検出素子と、
外部からの光を受光する受光素子と、
を含み、
前記光検出素子は、光吸収層を有する半導体層を含み、
前記半導体層は、下記式（１）を満たす膜厚ｄを有する。
【００１５】
（２ｍ−１）λ／４ｎ−３λ／１６ｎ＜ｄ＜（２ｍ−１）λ／４ｎ＋３λ／１６ｎ・・・（１）
〔式（１）において、ｍは整数、ｎは半導体層の屈折率、λは面発光型半導体レーザの設計波長を示す。〕
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
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。
【００１７】
１．光素子の構成
図１および図２は、本発明を適用した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３は、図１および図２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３のＡ−Ａ線における断面を示す図であり、図２は、図３のＢ−Ｂ線における断面を示す図である。
【００１８】
本実施の形態にかかる光素子１００は、図１に示すように、面発光型半導体レーザ１４０と、分離層２０と、光検出素子１２０と、を含む。
【００１９】
以下、面発光型半導体レーザ１４０、分離層２０、光検出素子１２０、および全体の構成について説明する。
【００２０】
１．１．面発光型半導体レーザ
面発光型半導体レーザ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。この面発光型半導体レーザ１４０は垂直共振器を有する。また、この面発光型半導体レーザ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。
【００２１】
面発光型半導体レーザ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ペアの分布反射型多層膜ミラー（以下、「第１ミラー」という）１０２と、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ペアの分布反射型多層膜ミラー（以下、「第２ミラー」という）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１４は、Ａｌ組成の小さい方、すなわちｐ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層となるような順序で構成されている。ただし、最上層１４は、第２電極１０９と直接接触させるために、後述の分離層を選択的にエッチングして表面露出させる必要があるため、Ａｌを含まないＧａＡｓ層、もしくはほとんど含まないＡｌＧａＡｓ層で形成されている。なお、分離層を形成しない形態であっても、最上層の導電性を向上することで、より均一に電流注入を行うことができるため、多少の吸収を伴ってもＡｌを含まない均一な層であることが望ましい。また、第２ミラーには、活性層の近領域に、酸化狭窄構造を形成するためのＡｌｘＧａ１−ｃＡｓ（ｘ＞０．９５）となる層が含まれている。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。
【００２２】
第２ミラー１０４は、たとえば炭素（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、たとえばケイ素（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。
【００２３】
また、面発光型半導体レーザ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。
【００２４】
また、主として柱状部１３０を取り囲むように第１絶縁層３０が形成されている。第１絶縁層３０は、たとえばポリイミドからなり、第１ミラー１０２の上に形成されている。さらに、第１絶縁層３０は、後述する第２電極１０９の引き出し部１０９ｂおよびパッド部１０９ｃの下に形成されている。さらに、第１絶縁層３０は、後述する第２絶縁層４０の下に形成されている。
【００２５】
さらに、第２ミラー１０４を構成する層のうち活性層１０３に近い領域の、ＡｌｘＧａ1-ｘＡｓ（ｘ＞０．９５）層を側面から酸化することにより得られる電流狭窄層１０５が形成されている。この電流狭窄層１０５はたとえば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および図２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ことができる。
【００２６】
また、面発光型半導体レーザ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、面発光型半導体レーザ１４０を駆動するために使用される。
【００２７】
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、たとえば図３に示すようなリング状の平面形状を有することができる。すなわち、第１電極１０７は主として柱状部１３０を取り囲むように任意の形状設けられている。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。
【００２８】
第２電極１０９は、面発光型半導体レーザ１４０の上面１０４ａ上に設けられている。第２電極１０９は、図３に示すように、たとえばリング状の平面形状を有する接続部１０９ａと、直線状の平面形状を有する引き出し部１０９ｂと、円状の平面形状を有するパッド部１０９ｃと、を有する。第２電極１０９は、接続部１０９ａにおいて第２ミラー１０４と電気的に接続されている。第２電極１０９の引き出し部１０９ｂは、接続部１０９ａとパッド部１０９ｃとを接続している。第２電極のパッド部１０９ｃは、電極パッドとして用いることができる。第２電極１０９の接続部１０９ａは、主として後述する分離層２０を取り囲むように設けられている。言い換えれば、分離層２０は第２電極１０９の内側に設けられている。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
１．２．分離層
本実施の形態の光素子１００においては、面発光型半導体レーザ１４０上に分離層２０が形成されている。すなわち、分離層２０は、面発光型半導体レーザ１４０と後述する光検出素子１２０との間に設けられている。具体的には、図１および図２に示すように、分離層２０は、第２ミラー１０４上に形成されている。すなわち、分離層２０は、第２ミラー１０４と後述する第１コンタクト層１１１との間に設けられている。
【００３２】
分離層２０の平面形状はたとえば円形であることができる。図示の例では、分離層２０の平面形状は、第１コンタクト層１１１の平面形状と同じである。分離層２０の平面形状は、第１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。
【００３３】
このように分離層２０を設けることにより、半導体層１２２と柱状部１３０とが電気的および光学的に分離され、界面が明確になるため、半導体層１２２の膜厚の制御をより確実に行うことができる。
【００３４】
１．３．光検出素子
光検出素子１２０は分離層２０上に設けられている。本実施の形態の光素子１００においては、光検出素子１２０の上面はレーザ光の出射面１０８を含んでいる。
【００３５】
また、光検出素子１２０は、半導体層１２２を備える。半導体層１２２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は分離層２０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。第１コンタクト層１１１の平面形状は、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１１３および光吸収層１１２は、柱状の半導体堆積体を構成する。
【００３６】
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、たとえばケイ素（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１１３は、たとえば炭素（Ｃ）がドーピングされることによりｐ型にされている。したがって、ｐ型の第２コンタクト層１１３、不純物がドーピングされていない光吸収層１１２、およびｎ型の第１コンタクト層１１１により、ｐｉｎダイオードが形成される。
【００３７】
光検出素子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は光検出素子１２０を駆動させるために使用される。具体的には、図１および図２に示すように、第３電極１１６は、第１コンタクト層１１１を覆うように形成されている。第３電極１１６の一部は、上述の第２電極１０９上に形成されている。すなわち、第３電極１１６と第２電極１０９とは、電気的に接続されている。図３に示すように、第３電極１１６はたとえばリング状の平面形状を有しており、主として第１コンタクト層１１１および第２絶縁層４０を取り囲むように設けられている。言い換えれば、第１コンタクト層１１１および第２絶縁層４０は、第３電極１１６の内側に設けられている。
【００３８】
第４電極１１０は、図３に示すように、たとえばリング状の平面形状を有する接続部１１０ａと、直線状の平面形状を有する引き出し部１１０ｂと、円状の平面形状を有するパッド部１１０ｃと、を有する。第４電極１１０は、接続部１１０ａにおいて第２コンタクト層１１３と電気的に接続されている。第４電極１１０の引き出し部１１０ｂは、接続部１１０ａとパッド部１１０ｃとを接続している。第４電極のパッド部１１０ｃは、電極パッドとして用いることができる。第４電極１１０は光検出素子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によって第２コンタクト層１１３の上面の一部が露出する。この露出した面が、レーザ光の出射面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、出射面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３に示すように、出射面１０８が円形である場合を示す。
【００３９】
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。
【００４０】
また、主として光吸収層１１２および第２コンタクト層１１３を取り囲むように第２絶縁層４０が形成されている。第２絶縁層４０は、図１〜図３に示すように、第１コンタクト層１１１、第２ミラー１０４、および第１絶縁層３０の上に形成されている。さらに、第２絶縁層４０は、第４電極１１０の引き出し部１１０ｂおよびパッド部１１０ｃの下に形成されている。
【００４１】
ここで、半導体層１２２の膜厚ｄについて説明する。
【００４２】
一般に、設計波長をλとし、半導体層１２２の屈折率をｎとした場合、半導体層１２２の膜厚ｄをλ／４ｎの偶数倍（λ／２ｎの整数倍）に設計することにより、光検出素子１２０の光の吸収効率は向上する。このような膜厚にすることによって、半導体層１２２においてファブリ・ペロー共振が起こるからである。しかし、光検出素子１２０においてファブリ・ペロー共振が起こると、光検出素子１２０から下方に放出される光と、活性層から出射し光検出素子の表面で下方に反射される光とが打ち消し合うため第２ミラー１０４の実質的な反射率が低下し、面発光型半導体レーザ１４０の光閉じこめが悪化するため、閾値が上昇してしまう。
【００４３】
そこで、本実施の形態にかかる光素子１００においては、半導体層１２２は、面発光型半導体レーザ１４０が発振する光の波長と、上述したファブリ・ペロー共振の中心波長が一致しないような膜厚、すなわちファブリ・ペロー共振がほとんど起こらないような膜厚を有する。即ち、半導体層１２２は、λ／４ｎの偶数倍以外の膜厚を有する。
【００４４】
これにより、上述した光の打ち消しあいを抑制し、光検出素子１２０が面発光型半導体レーザ１４０の光学特性に与える影響を低減することができる。
【００４５】
図４は、半導体層１２２の膜厚と、半導体レーザから出射した光が半導体吸収層１２２を透過する割合および半導体吸収層の吸収割合との関係を示す図である。図４において、横軸は半導体層１２２の膜厚（λ／４ｎの倍率）、縦軸は出力、Ｔおよびηは、それぞれ通常のファブリ・ペロー共振から想定される透過率および吸収効率、Ｔ（ＦＤＴＤ）は、時間領域差分法による透過率のシミュレーション結果を示す。シミュレーションに用いた光素子の条件等は後述する。
【００４６】
図４の透過率のシミュレーション結果によれば、膜厚がλ／４ｎの偶数倍付近のときに透過率および吸収効率がともに上昇していることがわかる。つまり、膜厚がλ／４ｎの偶数倍付近では、半導体レーザから出射した光が半導体層１２２を透過しやすく、かつ半導体吸収層における吸収効率が高い。これはすなわち、膜厚がλ／４ｎの偶数倍付近のとき、半導体吸収層１２２との界面において、面発光型半導体レーザ１４０への反射率が低下していることを示している。半導体吸収層１２２との界面における反射率の低下は、後述するように活性層に蓄積される光の減少を引き起こすため、上述のように発振閾値の上昇を引き起こす（図７参照）。また、たとえば光ファイバなどの外部媒体からの戻り光が、半導体吸収層１２２へ入射する場合を考えた場合も、戻り光の入射面(半導体レーザの出射面１０８)における上方向への反射と半導体吸収層１２２におけるファブリ・ペロー共振から上方向へ出射される光とが打ち消しあうため、戻り光の入射面１０８における反射率が低下し、半導体吸収層１２２の透過率が上昇する。すなわち、面発光型半導体レーザ１４０への戻り光の影響が大きく、外部媒体との距離で決まる戻り光の位相条件によって活性層エネルギーが大きく変動する（図９参照）。よって、半導体層１２２の膜厚をλ／４ｎの偶数倍以外とすることにより、光検出素子１２０が面発光型半導体レーザ１４０の光学特性に与える影響を低減することができる。
【００４７】
また、半導体層１２２は、下記式（１）を満たす膜厚ｄを有することが好ましい。
【００４８】
（２ｍ−１）λ／４ｎ−３λ／１６ｎ＜ｄ＜（２ｍ−１）λ／４ｎ＋３λ／１６ｎ・・・（１）
〔式（１）において、ｍは整数、ｎは半導体層の屈折率、λは設計波長を示す。〕
半導体層１２２の膜厚ｄを、上記式（１）の範囲内とすることによって、光素子１００から出射する光の放射角の安定性を向上させることができる。
【００４９】
図５は、０次モードにおける半導体層１２２の膜厚と放射角との関係を示す図であり、図６は、１次モードにおける半導体層１２２の膜厚と放射角との関係を示す図である。図５および図６において、横軸は放射角、縦軸は光強度を示す。図５によれば、λ／４ｎの偶数倍の１４λ／４ｎおよび１６λ／４ｎのグラフが領域Ａにサイドローブを有している。また、図６によれば、４９λ／１６ｎのグラフが領域Ｂにサイドローブを有している。
【００５０】
このように、図５および図６によれば、半導体層１２２は、λ／４ｎの偶数倍の膜厚またはλ／４ｎの偶数倍にλ／１６ｎを加えた膜厚を有する場合に、放射角が不安定になっていることがわかる。そこで、式（１）の範囲に膜厚ｄを設定することにより、光素子１００における光の放射角を安定させることができる。
【００５１】
また、半導体層１２２は、下記式（２）を満たす膜厚ｄを有することがさらに好ましい。
【００５２】
（２ｍ−１）λ／４ｎ−λ／８ｎ＜ｄ＜（２ｍ−１）λ／４ｎ＋λ／８ｎ・・・（２）
〔式（２）において、ｍは整数、ｎは半導体層の屈折率、λは設計波長を示す。〕
半導体層１２２の膜厚ｄを、上記式（２）の範囲内とすることによって、光検出素子１２０を設けることによる面発光型半導体レーザ１４０の閾値の上昇を抑えることができる。
【００５３】
図７は、半導体層１２２の膜厚と活性層内の光エネルギーとの関係を示す図であり、図８は、半導体層１２２の膜厚と出力との関係を示す図である。図７において、横軸は半導体層１２２の膜厚（λ／４ｎの倍率）、縦軸は活性層内の光エネルギーを示す。図８において、横軸は電流、縦軸は出力を示す。
【００５４】
図７によれば、半導体層１２２の膜厚ｄが式（２）の範囲内である領域Ｂでは、活性層内に蓄えられるエネルギーが大きいが、式（２）の範囲外である領域Ｃでは、活性層内のエネルギーが急激に減少している。図８によれば、式（２）の範囲である１３λ／４ｎおよび１３．５λ／４ｎの閾値が、式（２）の範囲外である１４λ／４ｎの閾値に比べて小さく、約１／２になっていることがわかる。したがって、半導体層１２２の膜厚ｄが式（２）の範囲内であれば、式（２）の範囲外である場合に比べて、光閉じこめが良好で、面発光型半導体レーザ１４０の閾値の上昇を抑制することができる。
【００５５】
また、半導体層１２２の膜厚ｄは、λ／４ｎの奇数倍であることがさらに好ましい。図７によれば、半導体層１２２の膜厚ｄがλ／４ｎの奇数倍であるときに、活性層内のエネルギーが極大値になっている。したがって、半導体層１２２の膜厚ｄがλ／４ｎの奇数倍であれば、他の膜厚である場合と比べて閾値の上昇を抑制することができる。
【００５６】
次に、光素子１００の上方に反射ガラス板を設けた場合の、反射ガラス板からの戻り光が活性層内のエネルギーに与える影響について説明する。図９は、半導体層１２２の膜厚と、反射ガラス板からの戻り光が活性層内のエネルギーに与える影響との関係を示す図である。図９において、横軸は距離、縦軸は活性層内の光エネルギーを示す。図９によれば、半導体層１２２の膜厚ｄが１５λ／４ｎの活性層内のエネルギーの揺らぎが、１４λ／４ｎの揺らぎより小さい。したがって、半導体層１２２がλ／４ｎの奇数倍の膜厚ｄを有する方が、λ／４ｎの偶数倍の膜厚ｄを有するときより、反射ガラス板からの戻り光が面発光型半導体レーザ１４０に与える影響が小さい。
【００５７】
なお、図４〜図９に示すデータを導くために、シミュレーションに用いた光素子の条件等について説明する。シミュレーションに用いた光素子において、第１ミラーは、屈折率３．５２５および３．０４９の膜を３７．５ペア積層したものであり、第２ミラーが２５ペア積層したものであるとした。面発光型半導体レーザの側面は、ポリイミド（屈折率１．７８）、下面はＧａＡｓ（屈折率３．６２）、上面は空気（屈折率１．００）で覆われているとした。柱状部については、傾斜角が８０度とし、外径約５０μｍ、深さを活性層下４ペアまでとした。電流狭窄層については、第２ミラーの最下層に設けられ、屈折率を１．６とし、内径１３μｍ、膜厚３０ｎｍとした。面発光型半導体レーザの上面に設けられた第１コンタクト層については、材質がＧａＡｓ、屈折率３．６２、膜厚が５８．６８ｎｍとした。第２電極および第３電極については、開口径３１μｍ、膜厚はミラー１ペア分とした。第２コンタクト層については、材質がＧａＡｓ、屈折率３．６２、膜厚が１１７．４ｎｍとした。第４電極の開口径は２５μｍ、膜厚はミラー１ペア分とした。第１コンタクト層、光吸収層および第２コンタクト層の膜厚の合計が、λ／１６ｎ×３６、３７、・・・５２になるようにした。
【００５８】
１．４．全体の構成
本実施の形態の光素子１００においては、面発光型半導体レーザ１４０のｎ型第１ミラー１０２およびｐ型第２ミラー１０４、ならびに光検出素子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。
【００５９】
光検出素子１２０は、面発光型半導体レーザ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、光検出素子１２０は、面発光型半導体レーザ１４０で生じた光を電流に変換する。この電流の値によって、面発光型半導体レーザ１４０で生じた光の出力が検知される。
【００６０】
より具体的には、光検出素子１２０において、面発光型半導体レーザ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、光検出素子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。
【００６１】
また、面発光型半導体レーザ１４０の光出力は、主として面発光型半導体レーザ１４０に印加するバイアス電圧によって決定される。特に、面発光型半導体レーザ１４０の光出力は、面発光型半導体レーザ１４０の周囲温度や面発光型半導体レーザ１４０の寿命によって大きく変化する。このため、面発光型半導体レーザ１４０において所定の光出力を維持することが必要である。
【００６２】
本実施の形態にかかる光素子１００では、面発光型半導体レーザ１４０の光出力をモニタし、光検出素子１２０にて発生した電流の値に基づいて面発光型半導体レーザ１４０に印加する電圧値を調整することによって、面発光型半導体レーザ１４０内を流れる電流の値を調整することができる。したがって、面発光型半導体レーザ１４０において所定の光出力を維持することができる。面発光型半導体レーザ１４０の光出力を面発光型半導体レーザ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。
【００６３】
２．光素子の製造方法
まず、ｎ型ＧａＡｓ層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、半導体多層膜が形成される。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。
【００６４】
その後、所定の形状に順次パターニングを行ったのち、第２ミラー１０４を側面から酸化して、電流狭窄層１０５が形成される。そして絶縁層３０、４０および各電極を形成することにより、光素子１００を形成することができる。
【００６５】
３．光モジュール
次に図１０を用いて、本発明に係る光電子集積素子を適用した光モジュールを説明する。図１０は、本実施の形態に係る光モジュール７００を模式的に示す断面図である。図１０では、光素子１００を適用した光モジュール７００を説明する。
【００６６】
光モジュール７００は、受信部４００、送信部５００、および電子回路部６００を含む。電子回路部６００は、増幅回路部６１０および駆動回路部６２０を含む。
【００６７】
受信部４００は、基板４０６と、受光素子２００と、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ３００と、筐体部４０２と、ガラス板４０４とを含む。
【００６８】
筐体部４０２は、たとえば樹脂材料で形成され、後述するスリーブ４２０と、集光部４０５と一体的に形成される。同様に筐体部４０２は、樹脂材料で形成され、後述するスリーブ４２０と一体的に形成される。樹脂材料としては、光を透過可能なものが選択され、たとえば、プラスチック系光ファイバ（ＰＯＦ）に用いられるポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ジアリルフタレート、フェニルメタクリレート、フッ素系ポリマー等を採用することができる。
【００６９】
スリーブ４２０は、外部から光ファイバなどの導光部材（図示せず）をはめ込み可能に形成されており、収容空間４２２の周壁の一部を構成している。集光部４０５は、スリーブ４２０の収容空間４２２側に設けられ、導光部材からの光信号を集光して送り出す。これにより、導光部材からの光の損失を低減して、受光素子２００と導光部材との光の結合効率を良好なものとすることができる。
【００７０】
送信部５００は、サブマウント基板５０８と、光素子１００と、筐体部５０２とを含む。光素子１００は、サブマウント基板５０８上に設置されている。
【００７１】
光素子１００の面発光型半導体レーザ１４０は、外部から入力した電気信号を光信号に変換して、導光部材（図示せず）を介して外部に出力する。受光素子２００は、導光部材を介して光信号を受信し、これを電流に変換し、変換した電流をヘテロ接合バイポーラトランジスタ３００に送る。ヘテロ接合バイポーラトランジスタ３００は、受け取った電流を電圧出力に変換し、増幅して、電子回路部６００に送る。増幅回路部６１０は、電圧出力が一定以上にならないように制御し、外部に出力する。なお、電気信号の出力端子や入力端子などの外部端子の説明は省略する。このように、光素子１００は、光モジュール７００に用いられる。
【００７２】
本実施の形態にかかる光素子１００によれば、光検出素子１２０が面発光型半導体レーザ１４０上に設けられているため、光モジュール７００は、スリーブ５２０の収容空間５２２側に斜めガラス部を備える必要がなくなり、素子の小型化およびコストの低減を実現することができる。
【００７３】
以上、本発明の好適な実施の形態について述べたが、本発明はこれらに限定されず、各種の態様を取りうる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本実施の形態にかかる光素子を模式的に示す断面図。
【図２】本実施の形態にかかる光素子を模式的に示す断面図。
【図３】本実施の形態にかかる光素子を模式的に示す平面図。
【図４】半導体層の膜厚と光の透過率および吸収量との関係を示す図。
【図５】半導体層の膜厚と放射角との関係を示す図。
【図６】半導体層の膜厚と放射角との関係を示す図。
【図７】半導体層の膜厚と活性層内のエネルギーとの関係を示す図。
【図８】半導体層の膜厚と出力との関係を示す図。
【図９】半導体層の膜厚と戻り光が活性層内のエネルギーに与える影響を示す図。
【図１０】本実施の形態にかかる光モジュールを模式的に示す断面図。
【符号の説明】
【００７５】
２０  分離層、３０  第１絶縁層、４０  第２絶縁層、１００  光素子、１０１  基板、１０２  第１ミラー、１０３  活性層、１０４  第２ミラー、１０５  電流狭窄層、１０７  第１電極、１０８  出射面、１０９  第２電極、１１０  第４電極、１１１  第１コンタクト層、１１２  光吸収層、１１３  第２コンタクト層、１１４  開口部、１１６  第３電極、１１７  接続電極、１２０  光検出素子、１２２  半導体層、１３０  柱状部、１４０  面発光型半導体レーザ、２００  受光素子、３００  ヘテロ接合バイポーラトランジスタ、４００  受信部、４０２  筐体部、４０４  ガラス板、４０５  集光部、４０６  サブマウント基板、４２０  スリーブ、４２２  収容空間、５００  送信部、５０２  筐体部、５０８  サブマウント基板、５１２  モニタフォトダイオード、５２０  スリーブ、５２２  収容空間、６００  電子回路部、６１０  増幅回路部、６２０  駆動回路部、７００  光モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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