(57)【要約】【課題】光出力の安定した光素子を提供する。【解決手段】  本発明の第１の形態に係る光素子１００は、面発光型半導体レーザ１４０と、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、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２０と、を含み、光検出素子は、光吸収層１１２と、当該光吸収層と面発光型半導体レーザとの間に形成された第１コンタクト層１１１と、を有し、前記第１コンタクト層は、吸収端波長が面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなり、かつ前記光吸収層より低い屈折率を有し、前記分離層は、吸収端波長が面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなり、第１コンタクト層と分離層の総膜厚ｄは、下記式（１）を満たす。    ｍλ／２ｎ−λ／１６ｎ＜ｄ＜（２ｍ＋１）λ／４ｎ    ・・・（１）【選択図】図１
2009088445.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、光吸収層と、当該光吸収層と前記面発光型半導体レーザとの間に形成された第１コンタクト層と、前記面発光型半導体レーザと前記第１コンタクト層との間に形成された分離層と、を有し、
前記第１コンタクト層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなり、かつ前記光吸収層より低い屈折率を有し、
前記分離層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなり、
前記第１コンタクト層と前記分離層の総膜厚ｄは、下記式（１）を満たす、光素子。
ｍλ／２ｎ−λ／１６ｎ＜ｄ＜（２ｍ＋１）λ／４ｎ    ・・・（１）
〔式（１）において、λは面発光型半導体レーザの設計波長、ｎは屈折率、ｍは整数を示す。〕
【請求項２】
請求項１において、
前記光検出素子の膜厚は、λ／４ｎの偶数倍である、光素子。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記光検出素子は、前記第１コンタクト層と接触する電極をさらに有し、
前記第１コンタクト層は、前記電極とオーミック接触可能な材質からなる、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の発振波長が８５０ｎｍである場合に、
前記第１コンタクト層は、ＡｌＧａＡｓからなる、光素子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかにおいて、
前記第１コンタクト層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなり、
Ｘは、０．０３５以上０．２５以下である、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、光吸収層と、当該光吸収層と前記面発光型半導体レーザとの間に形成された第１コンタクト層と、を有し、
前記第１コンタクト層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなり、かつ前記光吸収層より低い屈折率を有し、
前記面発光型半導体レーザの設計波長をλとした場合に、前記第１コンタクト層の膜厚ｄは、下記式（１）を満たす、光素子。
ｍλ／２ｎ−λ／１６ｎ＜ｄ＜（２ｍ＋１）λ／４ｎ    ・・・（１）
〔式（１）において、λは面発光型半導体レーザの設計波長、ｎは屈折率、ｍは整数を示す。〕
【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、光吸収層と、当該光吸収層と前記面発光型半導体レーザとの間に形成された第１コンタクト層と、前記面発光型半導体レーザと前記第１コンタクト層との間に形成された分離層と、を有し、
前記分離層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなり、
前記第１コンタクト層と前記分離層の総膜厚ｄは、下記式（２）を満たす、光素子。
ｍλ／２ｎ＋３λ／１６ｎ＜ｄ＜（ｍ＋１）λ／２ｎ    ・・・（２）
〔式（２）において、λは面発光型半導体レーザの設計波長、ｎは屈折率、ｍは整数を示す。〕
【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、
を含み、
前記光検出素子は、光吸収層と、当該光吸収層と前記面発光型半導体レーザとの間に形成された第１コンタクト層と、を有し、
前記第１コンタクト層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなり、かつ前記光吸収層より高い屈折率を有し、
前記面発光型半導体レーザの設計波長をλとした場合に、前記第１コンタクト層の膜厚ｄは、下記式（２）を満たす、光素子。
ｍλ／２ｎ＋３λ／１６ｎ＜ｄ＜（ｍ＋１）λ／２ｎ    ・・・（２）
〔式（２）において、λは面発光型半導体レーザの設計波長、ｎは屈折率、ｍは整数を示す。〕
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
面発光型半導体レーザは、環境温度等の条件によって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素子においては、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光出力として検出するための光検出素子が備えられている場合がある。この光検出素子はレーザ光を吸収し、吸収された光は、フォトダイオードに逆バイアス電圧を印加することで正孔−電子対となり、モニタ電流として検出される。たとえば、特開２０００−２６９５８５号公報には、面発光レーザ上に光検出器が集積された光送受信モジュールが開示されている。
【０００３】
ところで光検出素子を備えた面発光型半導体レーザにおいては、光検出素子において発生したすべての正孔−電子対がモニタ電流に変換されるものではなく、モニタ電流に変換されない正孔−電子対も存在する。このような正孔−電子対は、再結合して熱エネルギーに変換される。変換された熱エネルギーは、光検出素子の温度を上昇させて感度を変動させてしまうこと、面発光型半導体レーザの温度を上昇させて出力を変動させてしまうこと、などの問題がある。
【特許文献１】特開２０００−２６９５８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、設計値の変更による光出力の変動を最小限に抑えつつ、検出器と面発光レーザの温度上昇量のバランスを調整可能な光素子を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の形態に係る光素子は、
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、光吸収層と、当該光吸収層と前記面発光型半導体レーザとの間に形成された第１コンタクト層と、前記面発光型半導体レーザと前記第１コンタクト層との間に形成された分離層と、を有し、
前記第１コンタクト層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなり、かつ前記光吸収層より低い屈折率を有し、
前記分離層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなり、
前記第１コンタクト層と前記分離層の総膜厚ｄは、下記式（１）を満たす。
【０００６】
ｍλ／２ｎ−λ／１６ｎ＜ｄ＜（２ｍ＋１）λ／４ｎ    ・・・（１）
〔式（１）において、λは面発光型半導体レーザの設計波長、ｎは屈折率、ｍは整数を示す。〕
これにより、光素子を設計値の変更による光出力の変動を最小限に抑えつつ、検出器と面発光レーザの温度上昇量のバランスを調整可能とすることができ、例えば光出力量の設計値を変動させることなく、環境温度が変わっても光検出量と光出力量の比例関係を維持することが可能な膜厚などを選択することができる。
【０００７】
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」などと用いている。本発明に係る記載では、この例のような場合に、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】
また、本発明において、「発振波長」とは、光素子の設計段階において、面発光型半導体レーザが発する光のうち、強度が最大となると予想される光の波長をいう。
【０００９】
なお、本発明において、「光吸収層」とは、空乏層を含む概念である。
【００１０】
本発明の第１の形態に係る光素子において、
前記光検出素子の膜厚は、λ／４ｎの偶数倍であることができる。
【００１１】
本発明の第１の形態に係る光素子において、
前記光検出素子は、前記第１コンタクト層と接触する電極をさらに有し、
前記第１コンタクト層は、前記電極とオーミック接触可能な材質からなることができる。
【００１２】
本発明の第１の形態に係る光素子において、
前記面発光型半導体レーザの発振波長が８５０ｎｍである場合に、
前記第１コンタクト層は、ＡｌＧａＡｓからなることができる。
【００１３】
本発明の第１の形態に係る光素子において、
前記第１コンタクト層は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなり、
Ｘは、０．０３５以上０．２５以下であることができる。
【００１４】
本発明の第２の形態に係る光素子は、
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、光吸収層と、当該光吸収層と前記面発光型半導体レーザとの間に形成された第１コンタクト層と、を有し、
前記第１コンタクト層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなり、かつ前記光吸収層より低い屈折率を有し、
前記面発光型半導体レーザの設計波長をλとした場合に、前記第１コンタクト層の膜厚ｄは、下記式（１）を満たす。
【００１５】
ｍλ／２ｎ−λ／１６ｎ＜ｄ＜（２ｍ＋１）λ／４ｎ    ・・・（１）
〔式（１）において、λは面発光型半導体レーザの設計波長、ｎは屈折率、ｍは整数を示す。〕
本発明の第３の形態に係る光素子は、
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、光吸収層と、当該光吸収層と前記面発光型半導体レーザとの間に形成された第１コンタクト層と、前記面発光型半導体レーザと前記第１コンタクト層との間に形成された分離層と、を有し、
前記第１コンタクト層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなり、かつ前記光吸収層より高い屈折率を有し、
前記分離層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなり、
前記第１コンタクト層と前記分離層の総膜厚ｄは、下記式（２）を満たす。
【００１６】
ｍλ／２ｎ＋３λ／１６ｎ＜ｄ＜（ｍ＋１）λ／２ｎ    ・・・（２）
〔式（２）において、λは面発光型半導体レーザの設計波長、ｎは屈折率、ｍは整数を示す。〕
本発明の第４の形態に係る光素子は、
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、光吸収層と、当該光吸収層と前記面発光型半導体レーザとの間に形成された第１コンタクト層と、を有し、
前記第１コンタクト層は、吸収端波長が前記面発光型半導体レーザの発振波長より小さい半導体からなり、かつ前記光吸収層より高い屈折率を有し、
前記面発光型半導体レーザの設計波長をλとした場合に、前記第１コンタクト層の膜厚ｄは、下記式（２）を満たす。
【００１７】
ｍλ／２ｎ＋３λ／１６ｎ＜ｄ＜（ｍ＋１）λ／２ｎ    ・・・（２）
〔式（２）において、λは面発光型半導体レーザの設計波長、ｎは屈折率、ｍは整数を示す。〕
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
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。
【００１９】
１．光素子の構造
図１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。本実施の形態に係る光素子１００は、図１に示すように、基板１０１と、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。以下、光検出素子１２０および分離層２０、ならびに面発光型半導体レーザ１４０について説明する。
【００２０】
１．１．光検出素子および分離層の構造
光検出素子１２０は、面発光型半導体レーザ１４０から出射されたレーザ光の一部を検出する。光検出素子１２０は後述する分離層２０上に設けられている。光検出素子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、第１電極１１６と、第２電極１１０と、を含む。
【００２１】
第１コンタクト層１１１は、吸収端波長が面発光型半導体レーザ１４０の発振波長より小さい半導体からなる。即ち、第１コンタクト層１１１は、面発光型半導体レーザ１４０が発振するレーザ光を吸収しないで透過できる半導体からなる。面発光型半導体レーザ１４０の発振波長とは、面発光型半導体レーザ１４０が発する光のうち、強度が最大となると予想される光の波長をいう。
【００２２】
一例として発振波長が８５０ｎｍの場合について説明する。発振波長が８５０ｎｍの場合には、たとえば第１コンタクト層１１１は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなることができる。Ａｌ組成を示すｘは、０．０３５以上０．２５以下であることが好ましい。その理由については、図２を用いて説明する。図２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓのＡｌ組成に対する依存性を示すグラフである。図２において、横軸はＡｌ組成のｘを示し、縦軸はＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの吸収端波長を示す。図２によれば、Ａｌ組成がｘ１以上で吸収端波長が８５０ｎｍより小さくなる。ｘ１＝０．０３５であるから、ｘは、０．０３５以上であることが好ましい。
【００２３】
また第１コンタクト層１１１は、第１電極１１６とオーミック接触可能な材料からなることが好ましい。上述したように、第１コンタクト層１１１がＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなる場合には、ｘがｘ２＝０．２５以下であることによって、第１コンタクト層１１１は、第１電極１１６とオーミック接触可能になる。
【００２４】
このように、第１コンタクト層１１１は、ｎ型（またはｐ型）ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなり、ｘは、０．０３５以上０．２５以下であることができることにより、第１コンタクト層１１１は、第１電極１１６とオーミック接合することができ、かつ面発光型半導体レーザ１４０が発振する光を吸収しないため、熱の発生を防ぎ、面発光型半導体レーザ１４０の発光特性を良好に維持することができる。特に、第１コンタクト層１１１は、面発光型半導体レーザ１４０の活性層の近傍に設けられていることから、活性層１０３近傍の温度の上昇を効率的に抑えることができる。
【００２５】
また、本実施の形態において、第１コンタクト層１１１は、光吸収層１１２より低い屈折率を有する半導体からなる。
【００２６】
光吸収層１１２は、第１コンタクト層１１１上に形成されている。光吸収層１１２は、面発光型半導体レーザ１４０が発振する波長の光を吸収できる材質であれば特に限定されないが、例えば不純物が導入されていないＧａＡｓ層からなることができる。これにより、８５０ｎｍの光を吸収することができる。
【００２７】
第２コンタクト層１１３は、光吸収層１１２上に形成されている。第２コンタクト層１１３は、第１コンタクト層１１１と異なる導電型の半導体からなり、吸収量を減らすという観点からは、第１コンタクト層１１１と同様に、吸収端波長が面発光型半導体レーザ１４０の発振波長より小さい半導体からなることが好ましい。しかしながら、第２コンタクト層１１３の位置には、吸収層を透過した光のみが入射するため、第１コンタクト層１１１の位置と比較して光量が小さく、第２コンタクト層自体の厚さを十分薄くするだけでもよい。特に第２コンタクト層１１３がｐ型半導体である場合は、正孔の移動度が小さいため、コンタクト抵抗が低く正孔の移動距離の短い、薄いＧａＡｓ層を用いた方が好ましい。従って、面発光型半導体レーザ１４０の発振波長が８５０ｎｍの場合には、たとえば第２コンタクト層１１３は、十分に薄いｐ型（またはｎ型）ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓからなることができ、Ａｌ組成を示すｘは、０．２５以下であることが好ましい。
【００２８】
なお、光吸収層１１２および第２コンタクト層１１３は、同様の平面形状を有することができ、たとえば円形または矩形等の平面形状を有することができる。
【００２９】
第１電極１１６および第２電極１１０は、光検出素子１２０を駆動するために使用される。第１電極１１６は、第１コンタクト層１１１上に形成されている。第１電極１１６は、平面視において、光吸収層１１２を取り囲むように形成されていてもよい。第１電極１１６は、たとえばリング形状に引き出し部が設けられている平面形状を有してもよい。
【００３０】
第２電極１１０は、第２コンタクト層１１３上に形成されている。第２電極１１０は、第２コンタクト層１１３上の周縁に形成され、開口部を有してもよい。この開口部によって、面発光型半導体レーザ１４０がレーザ光を出射するための出射面１０８が形成される。また、第１電極１１６および第２電極１１０には、それぞれ電極パッドに接続するための引き出し部が形成されていてもよい。
【００３１】
また、光検出素子１２０の周囲には絶縁層４０、３２が形成されていてもよい。絶縁層４０、３２の形状は、図１に示す形状に限定されず、任意の形状をとることができる。
【００３２】
光検出素子１２０の構成要素については、以上である。光検出素子１２０は、上述したように、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との積層構造を有する。そして、光検出素子１２０の膜厚、即ち第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、分離層２０の総膜厚ｅは、λ／４ｎの偶数倍であることが好ましい。その理由については後述する。
【００３３】
本実施の形態の光素子１００において、光検出素子１２０は、さらに分離層２０を有する。面発光型半導体レーザ１４０と第１コンタクト層１１１の間に分離層２０が形成されている。分離層２０は、その上面において光検出素子１２０と接触し、その下面において面発光型半導体レーザ１４０と接触している。具体的には、図１に示すように、分離層２０は、第２ミラー１０４と第１コンタクト層１１１の間に形成されている。
【００３４】
分離層２０は、高抵抗層または絶縁層からなることができ、光検出素子１２０と面発光型半導体レーザ１４０とを電気的に分離する機能を有する。また分離層２０は、面発光型半導体レーザ１４０が発振する光を透過できる材質からなることが好ましく、吸収端波長が面発光型半導体レーザ１４０の発振波長より小さい半導体からなる。また分離層２０は、第１コンタクト層１１１より低い導電率を有する。
【００３５】
分離層２０は、たとえば不純物をドーピングしていない半絶縁性の高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ層を第２ミラー１０４上にエピタキシャル成長により積層することにより形成される。ここで、高Ａｌ組成のＡｌＧａＡｓ層とは、たとえばＡｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層である。このようなＡｌ組成を有することにより、分離層２０は第１コンタクト層１１１よりも低い導電率とすることができる。さらに、分離層２０は、Ａｌ組成０．９５以上の層を有することもできる。その場合、分離層２０は酸化されることができ、絶縁膜となることができる。
【００３６】
分離層２０は、平面視において、第１コンタクト層１１１と同一の形状であることができ、その形状は特に限定されないが、たとえば円形であることができる。なお、分離層２０の平面形状は、第１コンタクト層１１１と同一形状に限定されるわけではなく、第１コンタクト層１１１の平面形状よりも大きく形成してもよい。
【００３７】
１．２．面発光型半導体レーザ
面発光型半導体レーザ１４０は、基板１０１上に形成されている。面発光型半導体レーザ１４０は、第１ミラー１０２と、活性層１０３と、第２ミラー１０４と、電流狭窄層１０５と、第３電極１０７と、第４電極１０９とを含む。面発光型半導体レーザ１４０は、垂直共振器を有する。第１ミラー１０２の上部と、活性層１０３と、第２ミラー１０４と、電流狭窄層１０５とによって、柱状の半導体堆積体（柱状部１３０）が構成される。
【００３８】
基板１０１は、たとえばｎ型ＧａＡｓ層からなることができる。第１ミラー１０２は、基板１０１の上面１０１ａに形成される。第１ミラー１０２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３７．５ペアの分布反射型多層膜ミラーからなることができる。なお、基板１０１は、第１ミラー１０２の一部として機能することができる。活性層１０３は、第１ミラー１０２上に形成される。活性層１０３は、たとえば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ことができる。第２ミラー１０４は、活性層１０３上に形成される。第２ミラー１０４は、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からなることができる。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特に限定されるわけではない。
【００３９】
また、第２ミラー１０４の最上層１４は、Ａｌ組成が０．２５未満のＡｌＧａＡｓ層であることが好ましく、たとえばｐ型ＧａＡｓ層であることが好ましい。
【００４０】
第２ミラー１０４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、第１ミラー１０２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。
【００４１】
なお、柱状部１３０の平面形状は、特に限定されないがたとえば円形であることができる。
【００４２】
電流狭窄層１０５は、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ＡｌＧａＡｓ層を側面から酸化する、もしくは活性層１０３に近い領域にプロトンなどのイオンを打ち込むことにより得ることができる。この電流狭窄層１０５はリング状に形成されていることができる。すなわち、この電流狭窄層１０５は、基板１０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。
【００４３】
第３電極１０７および第４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。第３電極１０７は、基板１０１の下面１０１ｂに形成されることができる。また、第３電極１０７は、第１ミラー１０２の上面のうち活性層１０３に直接接しない部分に形成することもできる。第４電極１０９は、第２ミラー１０４上に形成されることができる。
【００４４】
また、柱状部１３０の周囲には絶縁層３０が形成されていてもよい。絶縁層３０の形状は、図１に示す形状に限定されず、任意の形状をとることができる。
【００４５】
本実施の形態に係る光素子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。
【００４６】
２．光素子の動作
本実施の形態にかかる光素子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。
【００４７】
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。より具体的には、以下の通りである。
【００４８】
まず、第３電極１０７と第４電極１０９とで、ｐｉｎダイオードに順方向の電圧を印加すると、面発光型半導体レーザ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の上面からレーザ光が出射し、光検出素子１２０の第１コンタクト層１１１へと入射する。
【００４９】
次に、光検出素子１２０において、第１コンタクト層１１１に入射した光は、第１コンタクト層１１１を透過して、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１電極１１６に、正孔は第２電極１１０にそれぞれ移動し、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、面発光型半導体レーザ１４０の光出力を検知することができる。
【００５０】
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の環境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。よって、上述したように、第１コンタクト層１１１および第２コンタクト層１１３が、吸収端波長が面発光型半導体レーザ１４０の発振波長より小さい半導体からなることにより、面発光型半導体レーザ１４０の温度上昇を抑制し、面発光型半導体レーザ１４０の光出力を一定の値に維持することができる。
【００５１】
本実施の形態に係る光素子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１５０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。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。
【００５２】
３．第１コンタクト層と分離層の膜厚
本発明の特徴点である第１コンタクト層１１１と分離層２０の総膜厚ｄについて説明する。
【００５３】
第１コンタクト層１１１と分離層２０の総膜厚ｄは、下記式（１）を満たす。
【００５４】
ｍλ／２ｎ−λ／１６ｎ＜ｄ＜（２ｍ＋１）λ／４ｎ    ・・・（１）
〔式（１）において、λは面発光型半導体レーザの設計波長、ｎは屈折率、ｍは整数を示す。〕
第１コンタクト層１１１と分離層２０の総膜厚ｄが、上記式（１）を満たすことにより、総膜厚ｄによる光出力の変動を最小限に抑えることで、出力光量の再設計をすることなく、光検出素子及び面発光型半導体レーザの温度特性を調整することができる。具体的には以下のとおりである。
【００５５】
本実施の形態において、第１コンタクト層１１１は、面発光型半導体レーザ１４０の発振波長に対して透明な材質で形成されている。これにより、光検出素子１２０の過剰な光の吸収による熱の発生を防ぎ、面発光型半導体レーザ１４０の光出力の低下および光素子の劣化を抑制することができる。
【００５６】
しかしながら、第１コンタクト層１１１を透明な材質で形成することによって、上記効果が得られると同時に、吸収層１１２において発生した熱が面発光型半導体レーザ１４０に伝わり難くなるため、光検出素子１２０の温度が上昇することによる感度変化や、熱により励起された電子に起因する暗電流の増加が起こる。また、面発光型半導体レーザ１４０の温度上昇量が変動するため、面発光型半導体レーザ１４０の閾値が変化してしまうという問題が生じることがある。
【００５７】
そこで、本実施の形態においては、第１コンタクト層１１１を透明な材質で形成するだけでなく、第１コンタクト層を、第１コンタクト層１１１と光吸収層１１２との界面（以下、「第１の界面Ｓ」という。）での光の反射率を考慮した膜厚に設計することにより、光出力の変動を最小限に抑えつつ、光検出素子１２０の感度と面発光型半導体レーザ１４０の閾値の双方の温度変動のバランスを調整可能となる。膜厚ｄの設計は以下のように考慮して行う。
【００５８】
各層の屈折率の関係が分離層２０＜第１コンタクト層１１１＜光吸収層１１２の場合について説明する。
【００５９】
膜厚ｄがλ／４ｎの奇数倍のときには、面発光型半導体レーザ１４０からの共振光の発振モードにおける節の位置が第１の界面Ｓの位置と重なるため、第１の界面Ｓで反射した反射光と共振光とが互いに強め合う。一方、膜厚ｄがλ／４ｎの偶数倍のときには、面発光型半導体レーザ１４０からの共振光の発振モードにおける腹の位置が第１の界面Ｓの位置と重なるため、第１の界面Ｓで反射した反射光と共振光とが互いに打ち消し合う。
【００６０】
したがって、膜厚ｄが増加する方向にλ／４ｎの偶数倍から奇数倍に近づくにつれて、第１の界面Ｓでの実質的な反射率が高くなる。同時に、第１コンタクト層１１１の膜厚が大きくなるにつれて、透明層の割合が上昇して透過率が高くなる。よって、膜厚ｄが増加する方向にλ／４ｎの偶数倍から奇数倍に近づくときに、反射率が高くなる作用と透過率が高くなる作用とが相殺し合うことができる。実際には光検出素子１２０での光の伝播角度が完全に垂直ではないため、上記式（１）に示すように、λ／４ｎの偶数倍からλ／１６ｎを引いた値からλ／４ｎの奇数倍までの範囲内において、反射率が高くなる作用と透過率が高くなる作用とが相殺し合うことができる。
【００６１】
なお、第１の界面Ｓを透過し、光吸収層１１２を透過した後に光検出素子１２０の上面（以下、「第２の界面Ｒ」という。）で反射して光吸収層１１２を介して、再度第１コンタクト層１１１に入射した反射光については、光吸収層１１２を２回以上通過しており光量が小さいため、本実施の形態においては考慮しない。
【００６２】
次に、光検出素子１２０（分離層２０を含む）の総膜厚ｅがλ／４ｎの奇数倍の厚さを有する場合と、光検出素子１２０の総膜厚ｅがλ／４ｎの偶数倍の厚さを有する場合とについて説明する。
【００６３】
光検出素子１２０（分離層２０を含む）がλ／４ｎの奇数倍の膜厚を有する場合には、光検出素子の上面で電界分布が節となり、第２の界面Ｒでの反射率が低く、そもそも光検出素子１２０を透過する光の割合が大きい。したがって、上記式（１）の範囲において膜厚ｄが増加するにつれて光吸収量が減少すると、光検出素子１２０を透過して出力される光量が劇的に大きくなる。そのため、上述した第１の界面Ｓにおける反射率が高くなる作用と膜厚ｄを大きくすることによる透過率が高くなる作用との釣り合いを維持することが重要となる。これにより、例えば製造上のばらつきにより膜厚ｄが変動しても光出力量の変動が小さく、またこの範囲では光出力の変動を気にすることなく膜厚ｄを選択することが可能となる。具体的には、上記式（１）の範囲から、光出力量の設計値を変動させることなく、光検出器１２０の温度上昇量と面発光レーザの温度上昇量が一方に偏らない膜厚ｄ、例えば、環境温度が変わっても光検出量と光出力量の比例関係を維持することが可能な膜厚などを選択することができる（具体的な膜厚最適値は、上記式（１）におけるｍや用途にも依存するが、ｄの範囲で選べば出力光量の再設計が不要になる）。
【００６４】
これに対し、光検出素子１２０がλ／４ｎの偶数倍の膜厚を有する場合には、光検出素子の上面で電界分布が腹となり、第２の界面Ｒでの反射率が高い。したがって、上記式（１）の範囲において膜厚ｄが増加するにつれて光吸収量が減少しても、そもそも第２の界面Ｒにおける反射率が大きいため、第１の界面Ｓで反射されなくても、第２の界面Ｒで反射される。すなわち第１の界面Ｓで反射する効果が相対的に小さくなる。そのため、光検出素子１２０がλ／４ｎの奇数倍の膜厚を有する場合に比べて式（１）の範囲が重要とならない。
【００６５】
図３は、第１コンタクト層１１１の膜厚と光出力の関係を示す図である。図３において、横軸はｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（第１コンタクト層１１１）の膜厚を示し、縦軸は光出力を示す。図３に示すグラフは、以下の条件（１）、（２）に基づいて、光検出素子１２０の膜厚（１３λ／４ｎ、１４λ／４ｎ、１５λ／４ｎ、１６λ／４ｎ）毎に算出したものである。なお、図３のグラフにおける光出力（縦軸）は、第１コンタクト層１１１の膜厚がゼロのときの値を基準に規格化したものである。
【００６６】
（１）面発光型半導体レーザ
第１ミラー１０２；ｎ型Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層とｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層とを交互に積層した３７．５ペアのＤＢＲミラー（屈折率；３．５２５／３．０４９）
第２ミラー１０４；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ＤＢＲミラー（屈折率；３．５２５／３．０４９）
絶縁層３０，４０；ポリイミド（屈折率；１．７８）
基板；ＧａＡｓ（屈折率；３．６２）
柱状部１３０の傾斜角；８０°
柱状部１３０の深さ；活性層下４ペア
柱状部１３０の径；約５０μｍ
電流狭窄層１０５；活性層上１層目の上部
電流狭窄層１０５の内径；１３μｍ
電流狭窄層１０５の厚さ；３０ｎｍ，１２ｎｍ
コンタクト層（最上層１４）；ＧａＡｓ（屈折率；３．６２）
コンタクト層の厚さ；λ／４ｎ
電極の開口径；３１μｍ、
（２）光検出素子１２０
第１コンタクト層１１１；ｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（屈折率；３．５２５）
第１コンタクト層の厚さ；λ／１６ｎ×０，１，・・・、１６
光吸収層１１２；ｉ型ＧａＡｓ層（屈折率３．６２、吸収係数１０４ｃｍ−１）
第２コンタクト層１１３；ｐ型ＧａＡｓ層（屈折率３．６２）
分離層２０；Ａｌ０．９Ｇａ０．１Ａｓ層（屈折率３．０４９）
分離層２０の厚さ；λ／４ｎ
ｐ電極１１０；内径２５μｍ
ｎ電極１１６；内径３１μｍ
図３によれば、第１コンタクト層１１１の膜厚がｄ１およびｄ２の範囲において光出力の変化が小さい。ｄ１およびｄ２の範囲とは、下記式（１’）で示される。（ｄ１はｍ＝１、ｄ２はｍ＝２）
（２ｍ−１）λ／４ｎ−λ／１６ｎ＜ｄ１，ｄ２＜ｍλ／２ｎ    ・・・（１’）
式（１’）の右辺および左辺に分離層２０の膜厚λ／４ｎを足し合わせると膜厚ｄの範囲となり、式（１）と同一の式が得られる。従って、膜厚ｄが式（１）の範囲において、反射率が高くなる作用と透過率が高くなる作用との釣り合いがとれて光出力の安定した光素子が得られることが確認された。
【００６７】
特に、光検出素子１２０がλ／４ｎの奇数倍の膜厚（１３λ／４ｎおよび１５λ／４ｎ）を有する場合には、ｄ１およびｄ２内の範囲では、ｄ１およびｄ２以外の範囲に比べて、特に光出力の変化が小さかった。
【００６８】
図４〜図６は、図３と同様に第１コンタクト層１１１の膜厚と光出力の関係を示す図であり、第１コンタクト層のＡｌ組成ｘが図３と異なる。具体的には、図４では、Ａｌ組成ｘが０．１０であり、図５ではＡｌ組成ｘが０．２０であり、図６ではＡｌ組成ｘが０．２５である。図４〜図６において、横軸はｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層（第１コンタクト層１１１）の膜厚を示し、縦軸は光出力を示す。図４〜図６における他の条件は、上述した条件と同様であるので説明を省略する。
【００６９】
図４〜図６においても、図４と同様に、膜厚ｄが式（１）の範囲で光素子の光出力が安定していることが確認された。即ち、Ａｌ組成ｘが０．１０〜０．２５の範囲において、膜厚ｄが式（１）の範囲で光素子の光出力が安定していることがわかった。
【００７０】
また、ｎ型ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ層（第１コンタクト層１１１）のＡｌ組成を大きくするにつれて、分離層２０と第１コンタクト層１１１の界面における反射率が低減する。そのため、図４〜図６によれば、界面Ｓにおける反射率の影響の小さい第１コンタクト層１１１の厚さがλ／４ｍ及び３λ／４ｍ（分離層２０との厚さの合計がλ／４ｍの偶数倍）の点で比較すると、Ａｌ組成を大きくするほど光出力が高くなることが確認できる。
【００７１】
４．変形例
本実施の形態では、各層の屈折率の関係が分離層２０＜第１コンタクト層１１１＜光吸収層１１２の場合について説明したが、変形例では分離層２０＜光吸収層１１２＜第１コンタクト層１１１の場合における膜厚ｄについて説明する。
【００７２】
分離層２０＜光吸収層１１２＜第１コンタクト層１１１の場合には、位相条件が逆になるため、膜厚ｄは、式（２）を満たすものとなる。
【００７３】
ｍλ／２ｎ＋３λ／１６ｎ＜ｄ＜（ｍ＋１）λ／２ｎ    ・・・（２）
〔式（２）において、λは面発光型半導体レーザの設計波長、ｎは屈折率、ｍは整数を示す。〕
即ち、膜厚ｄがλ／４ｎの奇数倍のときには、面発光型半導体レーザ１４０からの共振光の発振モードにおける節の位置が第１の界面Ｓの位置と重なるが、第１の界面Ｓにおいて位相が反転しないため、第１の界面Ｓで反射した反射光と共振光とが互いに打ち消し合う。一方、膜厚ｄがλ／４ｎの偶数倍のときには、面発光型半導体レーザ１４０からの共振光の発振モードにおける腹の位置が第１の界面Ｓの位置と重なるが、第１の界面Ｓにおいて位相が反転しないため、第１の界面Ｓで反射した反射光と共振光とが互いに強め合う。
【００７４】
したがって、膜厚ｄが増加する方向にλ／４ｎの奇数倍から偶数倍に近づくにつれて、第１の界面Ｓでの実質的な反射率が高くなる。同時に、第１コンタクト層１１１の膜厚が大きくなるにつれて、透明層の割合が上昇して透過率が高くなる。よって、膜厚ｄが増加する方向にλ／４ｎの奇数倍から偶数倍に近づくときに、反射率が高くなる作用と透過率が高くなる作用とが相殺し合うことができる。実際には光検出素子１２０での光の伝播角度が完全に垂直ではないため、上記式（２）に示すように、λ／４ｎの奇数倍からλ／１６ｎを引いた値からλ／４ｎの奇数倍までの範囲内において、反射率が高くなる作用と透過率が高くなる作用とが相殺し合うことができる。
【００７５】
次に、光検出素子１２０（分離層２０を含む）の総膜厚ｅがλ／４ｎの奇数倍の厚さを有する場合と、光検出素子１２０の総膜厚ｅがλ／４ｎの偶数倍の厚さを有する場合とについて説明する。
【００７６】
光検出素子１２０（分離層２０を含む）がλ／４ｎの偶数倍の膜厚を有する場合には、光検出素子の上面で電界分布が節となり、第２の界面Ｒでの反射率が低く、そもそも光検出素子１２０を透過する光の割合が大きい。したがって、上記式（２）の範囲において膜厚ｄが増加するにつれて光吸収量が減少すると、光検出素子１２０を透過して出力される光量が大きくなる。そのため、上述した第１の界面Ｓにおける反射率が高くなる作用と膜厚ｄを大きくすることによる透過率が高くなる作用との釣り合いを維持することが重要となる。これにより、例えば製造上のばらつきにより膜厚ｄが変動しても光出力量の変動が小さく、またこの範囲では光出力の変動を気にすることなく膜厚ｄを選択することが可能となる。具体的には、上記式（１）の範囲から、光出力量の設計値を変動させることなく、光検出器１２０の温度上昇量と面発光レーザの温度上昇量が一方に偏らない膜厚ｄ、例えば、環境温度が変わっても光検出量と光出力量の比例関係を維持することが可能な膜厚などを選択することができる（具体的な膜厚最適値は、上記式（１）におけるｍや用途にも依存するが、ｄの範囲で選べば出力光量の再設計が不要になる）。
【００７７】
これに対し、光検出素子１２０がλ／４ｎの奇数倍の膜厚を有する場合には、光検出素子の上面で電界分布が腹となり、第２の界面Ｒでの反射率が高い。したがって、上記式（２）の範囲において膜厚ｄが増加するにつれて光吸収量が減少しても、そもそも第２の界面Ｒにおける反射率が大きいため、第１の界面Ｓで反射されなくても、第２の界面Ｒで反射される。すなわち第１の界面Ｓで反射する効果が相対的に小さくなる。そのため、光検出素子１２０がλ／４ｎの奇数倍の膜厚を有する場合に比べて式（２）の範囲が重要とならない。
【００７８】
図７は、第１コンタクト層１１１の膜厚と光出力の関係を示す図である。図７において、横軸はｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（第１コンタクト層１１１）の膜厚を示し、縦軸は光出力を示す。図７に示すグラフは、光吸収層および第２コンタクト層の材料としてシリコン（屈折率；３．４８、吸収係数６００ｃｍ−１）を用いたこと以外は上記条件（１）、（２）と同様の条件に基づいて、光検出素子１２０の膜厚（１３λ／４ｎ、１４λ／４ｎ、１５λ／４ｎ、１６λ／４ｎ）毎に算出したものである。なお、図７のグラフにおける光出力（縦軸）は、第１コンタクト層１１１の膜厚がゼロのときの値を基準に規格化したものである。
【００７９】
図７によれば、第１コンタクト層１１１の膜厚がｄ３およびｄ４の範囲において光出力の変化が小さい。ｄ３およびｄ４の範囲とは、下記式（２’）で示される。（ｄ３はｍ＝０、ｄ４はｍ＝１）
ｍλ／２ｎ−λ／１６ｎ＜ｄ３，ｄ４＜（２ｍ＋１）λ／４ｎ    ・・・（２’）
式（２’）の右辺および左辺に分離層２０の膜厚λ／４ｎを足し合わせると膜厚ｄの範囲となり、式（２）と同一の式が導かれる。従って、膜厚ｄが式（２）の範囲において、反射率が高くなる作用と透過率が高くなる作用との釣り合いがとれて光出力の安定した光素子が得られることが確認された。
【００８０】
光検出素子１２０がλ／４ｎの奇数倍の膜厚（１３λ／４ｎおよび１５λ／４ｎ）を有する場合には、ｄ３およびｄ４内の範囲では、ｄ３およびｄ４以外の範囲に比べて、特に光出力の変化が小さかった。
【００８１】
なお、変形例に係る光素子においては、光吸収層および第２コンタクト層の材料としてシリコン（屈折率；３．４８、吸収係数６００ｃｍ−１）を用いている。そのため、膜厚ｄを大きくすることでシリコンを置き換えるｎ型Ａｌ０．１５Ｇａ０．８５Ａｓ層（屈折率；３．５２５、吸収なし）との吸収量の差が、光吸収層および第２コンタクト層の材料としてＧａＡｓ（吸収係数１０４ｃｍ−１）を用いた場合と比較して小さい。そのため、透過率が高くなる作用が小さくなってしまったため、反射率が高くなる作用と透過率が高くなる作用との釣り合いがとり難くなってしまい、図７に示す結果は、図３に示す結果と比べて良好な結果が得られなかった。
【００８２】
本実施の形態に係る変形例の説明は以上である。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、さらなる種々の変形が可能である。たとえば、上記光検出素子は、集積された面発光型半導体レーザの光量のみを検出するために設けられているが、これに加えて、外部からの光を同時に検出する機能を有するものであってもよい。また、他の例としては、光素子が分離層を有さなくてもよい。分離層を有さない場合には、分離層の膜厚がゼロであるから、膜厚ｄを第１コンタクト層の膜厚として、式（１）および式（２）を適用することができ、上述した効果と同様の効果を得ることができる。
【００８３】
また本発明は、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、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及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。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】図１は、本実施の形態にかかる光素子を模式的に示す断面図である。
【図２】図２は、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓの吸収端波長のＡｌ組成に対する依存性を示す図である。
【図３】図３は、第１コンタクト層１１１の膜厚と光出力の関係を示す図である。
【図４】図４は、第１コンタクト層１１１の膜厚と光出力の関係を示す図である。
【図５】図５は、第１コンタクト層１１１の膜厚と光出力の関係を示す図である。
【図６】図６は、第１コンタクト層１１１の膜厚と光出力の関係を示す図である。
【図７】図７は、第１コンタクト層１１１の膜厚と光出力の関係を示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
２０  分離層、３０，３２，４０  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３電極、１０８  出射面、１０９  第４電極、１１０  第２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、１１６  第１電極、１２０  光検出素子、１３０  柱状部、１４０  面発光型半導体レーザ
【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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