(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面実装可能なパッケージを備え、該パッケージ内に、所定長さからなる短尺光ファイバと、該短尺光ファイバの端面と所定の間隔をおいて対向配置され、短尺光ファイバと光学的に直接結合された受光素子とを組み込んだ表面実装型受光モジュールにおいて、
前記受光素子としてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いるとともに、前記短尺光ファイバとしてアバランシェフォトダイオードと対向する端面を平面切断したシングルモードファイバ（ＳＭＦ）を用い、前記アバランシェフォトダイオードで発生する光電流を電圧信号に変換するプリアンプをパッケージ内に位置してアバランシェフォトダイオードの直近に実装し、該プリアンプの信号入力部とアバランシェフォトダイオードの出力端子とを接続したことを特徴とする表面実装型受光モジュール。
【請求項２】
前記アバランシェフォトダイオードとしてＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤを用いるとともに、アバランシェフォトダイオードとシングルモードファイバとの結合距離を１００μｍ以下としたことを特徴とする請求項１記載の表面実装型受光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバ通信システム用の光デバイスに関し、より詳しくは、光信号の中継に用いられる表面実装型受光モジュール（以下、「ＳＭＴ受光モジュール」という）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光信号の中継に用いられる受光モジュールの光結合方式には、伝送された光信号をレンズで集光して受光素子に導くレンズ結合式と、伝送された光信号を直接受光素子に導く直接結合式がある。ここで、直接結合式は、レンズ結合式に比べて小型化・薄型化に有利であり、主に、ＳＭＴ受光モジュールにおいて採用されている。
【０００３】
光ファイバ通信システムで用いられている従来のＳＭＴ受光モジュールの例を図４と図５に示す。
【０００４】
図４は、受光素子としてＰＩＮ形フォトダイオード（ＰＩＮ−ＰＤ）４１を用いるとともに、導光用の短尺光ファイバとしてマルチモードファイバ（ＭＭＦ）４２を用いたＳＭＴ受光モジュールの例を示す。尚、ＰＩＮ形フォトダイオード４１をパッケージ（図示略）内の定位置に固定配置するためにキャリア４３が使用され、マルチモードファイバ４２を定位置に固定するためにシリコン（Ｓｉ）製のＶ溝基板４４が配置されている。
【０００５】
また、図５は、受光素子としてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）５１を用いるとともに、導光用の短尺光ファイバとしてマルチモードファイバ（ＭＭＦ）５２を用いたＳＭＴ受光モジュールの例である。尚、アバランシェフォトダイオード５１をパッケージ内の定位置に固定配置するためにキャリア５３が使用され、マルチモードファイバ５２を定位置に固定するシリコン製のＶ溝基板５４が配置されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、光ファイバ通信システムを経済的に構築するには、光信号の中継間隔をできるだけ大きくする必要があるが、中継間隔を大きくすると伝送される光信号の減衰も大きくなり、受光モジュールはそれだけ強度の低下した光信号を受信しなければならない。例えば、光波長１．３〜１．５５μｍ帯、伝送速度６００Ｍｂｐｓ程度の伝送容量からなる光ファイバ通信システムの場合には、満足な伝送品質を得るには、−４０ｄＢｍ（０．１μＷ）程度の最小受光感度が要求される。
【０００７】
また、ＳＭＴ受光モジュールは、表面実装を実現する必要性から短尺光ファイバによる接続構造を採用しており、短尺光ファイバとしてはマルチモードファイバ（ＭＭＦ）を用いている。マルチモードファイバは、コア直径５０μｍ程度、開口数（ＮＡ）０．２程度であり、ファイバ端面からの射出光の広がりが大きい。
【０００８】
図４のＰＩＮ形フォトダイオードを用いたＳＭＴ受光モジュールの場合には、マルチモードファイバ４２の端面とＰＩＮ形フォトダイオード４１の受光面４１ａとの結合距離Ｌを１００μｍとすると、ＰＩＮ形フォトダイオード４１の受光面４１における光ビームの広がり直径は約８０μｍであり、受光面４１ａの直径８０μｍと略々同程度となり、受光そのものには支障はない。しかしながら、ＰＩＮ形フォトダイオードの最小受光感度は−３２ｄＢｍ（０．６μＷ）前後であり、前記最小受光感度を満足することができず、中継距離をいま以上に拡大することが難しいという欠点があった。
【０００９】
一方、図５のアバランシェフォトダイオードを用いたＳＭＴ受光モジュールの場合には、アバランシェフォトダイオード５１の受光面５１ａの直径は５０μｍ程度であり、光ビームの広がり直径８０μｍの方が大きくなってしまい、損失が大きいために直接結合が困難である。このため、図５のＳＭＴ受光モジュールの場合には、アバランシェフォトダイオード５１とマルチモードファイバ５２との間に点線で示す凸レンズ５５等の集光手段を設ける必要があり、直接結合することが難しい。
【００１０】
そこで、本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、高感度で、しかも受光素子と短尺光ファイバを直接結合することが可能なＳＭＴ受光モジュールを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、表面実装可能なパッケージを備え、該パッケージ内に、所定長さからなる短尺光ファイバと、該短尺光ファイバの端面と所定の間隔をおいて対向配置され、短尺光ファイバと光学的に直接結合された受光素子とを組み込んだ表面実装型受光モジュールにおいて、前記受光素子としてアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いるとともに、前記短尺光ファイバとしてアバランシェフォトダイオードと対向する端面を平面切断したシングルモードファイバ（ＳＭＦ）を用い、前記アバランシェフォトダイオードで発生する光電流を電圧信号に変換するプリアンプをパッケージ内に位置してアバランシェフォトダイオードの直近に実装し、該プリアンプの信号入力部とアバランシェフォトダイオードの出力端子とを接続したことを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、アバランシェフォトダイオードとしてＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤを用いるとともに、アバランシェフォトダイオードとシングルモードファイバとの結合距離を１００μｍ以下としたことを特徴とする。
【００１４】
そして、請求項１記載の発明によれば、短尺光ファイバとしてシングルモードファイバを用いており、シングルモードファイバのコア直径は１０μｍ程度、開口数（ＮＡ）は０．１程度であり、結合距離１００μｍ先の受光面に達した位置での光ビームの広がり直径は約３０μｍとなる。一方、アバランシェフォトダイオードの受光面の直径は通常５０μｍ程度である。このため、受光した光ビームはすべて受光面内に収まり、受光効率が低下することがない。
【００１５】
また、アバランシェフォトダイオードは、逆バイアス電圧を印加することによる光励起正孔（キャリア）のなだれ増倍を利用した半導体受光素子であり、光電流の内部増倍作用によって信号対雑音比を大きく採れる利点があり、従来のＰＩＮ形フォトダイオードに比べて小さな光入力電力まで使用でき、目的とする最小受光感度−４０ｄＢｍ（０．１μＷ）を達成することが可能である。このため、高感度で、しかも受光素子と短尺光ファイバを直接結合することが可能なＳＭＴ受光モジュールを得ることができる。
【００１６】
前述したようにアバランシェフォトダイオードの受光面の直径は５０μｍ程度であるが、その中でも、特に高い電流増倍作用を発揮する領域は直径３５μｍ程度の範囲である。本発明の場合には、前述したようにシングルモードファイバを用いることによって、結合距離１００μｍ程度なら光ビームの広がり直径を約３０μｍ程度まで抑えることができるので、すべての全光線を高い電流増倍作用を発揮する領域内に収めることができ、極めて効率よく光電変換することができる。
さらに、アバランシェフォトダイオードで発生する光電流を電圧信号に変換するプリアンプをパッケージ内に位置してアバランシェフォトダイオードの直近に実装し、該プリアンプの信号入力部とアバランシェフォトダイオードの出力端子とを接続することで、アバランシェフォトダイオードの出力信号を最短の配線長で電圧変換でき、信号対雑音比をさらに高めることができる。
【００１７】
請求項２記載の発明の場合、アバランシェフォトダイオードとしてＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤを用い、該アバランシェフォトダイオードとシングルモードファイバとの結合距離を１００μｍ以下とすることで、光波長１．３〜１．５５μｍ帯の長波長光通信に好適なＳＭＴ受光モジュールを得ることができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明にかかるＳＭＴ受光モジュールの実施の形態の具体例について図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
図１及び図２は、本発明にかかるＳＭＴ受光モジュールの一実施例を示し、図１は短尺光ファイバと受光素子部分の構造を示す略示斜視図、図２はＳＭＴ受光モジュールの内部構造を示す略示平面図である。
【００２１】
受光素子を構成するＩｎＧａＡｓからなるアバランシェフォトダイオード（ＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤ）は、パッケージ１０に固設されたキャリア３に実装されている。また、短尺光ファイバを構成するシングルモードファイバ（ＳＭＦ）２は、アバランシェフォトダイオード１の受光面１ａに対向する側の端面２ａを光軸と垂直の向きに平面切断されており、その光軸がアバランシェフォトダイオード１の受光面１ａの中心に一致し、かつ、受光面１ａと垂直に交わるように位置合わせされた上で、シリコン製のＶ溝基板４のＶ溝内に嵌入固定されている。
【００２２】
前記シングルモードファイバ２のアバランシェフォトダイオード１の受光面１ａと対向する側の端面２ａは、光軸方向に対して垂直に平面切断されている。アバランシェフォトダイオード１の受光面１ａの直径は約５０μｍであり、シングルモードファイバ２の端面２ａと平行に配置されている。また、アバランシェフォトダイオード１の受光面１ａと、シングルモードファイバ２の端面２ａの結合距離Ｌは約１００μｍに設定されており、シングルモードファイバ２の光軸はアバランシェフォトダイオード１の受光面１ａの中心に一致されている。
【００２３】
アバランシェフォトダイオード１の直近位置には、プリアンプ５が配置されており、プリアンプ５の信号入力部５ａとキャリア３のパターン電極３ａとの間、パターン電極３ａとアバランシェフォトダイオード１のアノード１ｂとの間を各々ボンディングワイヤ６で接続することにより、アバランシェフォトダイオード１とプリアンプ５間を最短距離で配線するようにしている。また、シングルモードファイバ２の端面２ａと反対側の端部はフェルール部７に嵌挿されており、フェルール部７は伝送路との接続補助部品８に接着固定されている。尚、受光モジュールには、出力端子９が備えられる。
【００２４】
上記構造を有するＳＭＴ受光モジュールは、次の要領で組み立てられる。
【００２５】
まず、画像処理装置を用いた画像処理によって受光面１ａのキャリア３への固着位置が計算され、アバランシェフォトダイオード１は周知のパッシブアライメント技術によって固着位置に位置合わせされた後、ハンダ付けによりキャリア３に固定される。アバランシェフォトダイオード１をキャリア３に固定した後、アバランシェフォトダイオード１のアノード１ｂと、予めキャリア３にメタライズしておいたパターン電極３ａとをボンディングワイヤ６を用いてワイヤボンディングにより接続する。
【００２６】
一方、シングルモードファイバ２を位置決めするシリコン製のＶ溝基板４は、所定形状をしたシリコンブロックの天頂面に周知のフォトリソグラフィー技術によってＶ溝（図示せず）を食刻した後、個々に切り出すことによって得られる。このようにして得られたＶ溝基板４を、所定の荷重で上から押さえ付けながら周知のハンダ付けによりパッケージ１０の所定の位置に固着する。
【００２７】
次いで、パッケージ１０に固定されたＶ溝基板４のストライプ状のＶ溝を画像処理することにより、アバランシェフォトダイオード１が固定されたキャリア３のＶ溝に対する高さと方向を周知のパッシブアライメント技術によって調整し、ハンダ付けによってパッケージ１０に固定する。プリアンプ５も、ハンダ付けによって予めパッケージ１０に固定されている。
【００２８】
以上により、アバランシェフォトダイオード１の受光面１ａとシングルモードファイバ２の光軸は、光軸ずれの許容範囲内で位置決めされるとともに、ボンディングワイヤ６によるパターン電極３ａとプリアンプ５の信号入力部５ａ等のパッケージ１０内の電気配線を終了する。尚、この電気配線は、この時点で完全に終了している必要はなく、後述するパッケージの気密封止までに終了すればよい。
【００２９】
次に、シングルモードファイバ２をパケージ１０上に固定されたＶ溝基板４のＶ溝（図示せず）内に嵌入して固定する。この固定は、アバランシェフォトダイオード１の受光面１ａとシングルモードファイバ２の端面２ａとの結合間隔Ｌが１００μｍ以下になるように行なうとともに、アバランシェフォトダイオード１のアノード１ｂとキャリア３間に配線したボンディングワイヤ６に接触しない程度の間隔を空けるように、顕微鏡等でその位置を確認した後、周知のハンダ付けにより行なう。
【００３０】
そして、最後にパッケージ１０の上面開口部に気密封止用カバー（図示せず）を被せ、該カバーを気密に封止固定するとともに、シングルモードファイバ２のフェルール部７に伝送路との接続補助部品８を接着固定し、受光モジュールの組立を完了する。
【００３１】
次に、上記構造を有するＳＭＴ受光モジュールの光信号の受光動作について説明する。使用に際しては、シングルモードファイバ２の外端面側は、接続補助部品８を介して光ファイバ伝送路または光源に接続される。伝送路または光源から光信号が送られると、この光信号はシングルモードファイバ２によって導光され、その端面１ａからアバランシェフォトダイオード１の受光面１ａに向けて射出される。
【００３２】
最小受光感度−４０ｄＢｍ（０．１μＷ）程度の微小電力を受信可能とする場合には、アバランシェフォトダイオード１の電流増倍率を上げて動作させる必要があるため、アバランシェフォトダイオード１には、逆降伏電圧の手前まで逆バイアスを与える。ＩｎＧａＡｓからなるアバランシェフォトダイオード（ＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤ）の場合には、６０Ｖ前後の逆バイアス電圧を与えると、光電流の内部増倍作用によって電流が２０倍程度に増倍し、光電流は約１．７μＡに増大する。このとき、暗電流は５ｎＡ程度であり、熱雑音やショット雑音といわれる雑音が生じることを考慮しても十分な信号対雑音比を確保することができ、長距離中継に要求される最小受光感度と低雑音性を十分に満足することができる。
【００３３】
アバランシェフォトダイオード１で光電変換及び増倍された光電流は、アバランシェフォトダイオード１のアノード１ｂから取り出され、ボンディングワイヤ６を通じてプリアンプ５の信号入力部５ａに入り、プリアンプ５によって電圧信号に変換された後、パッケージ１０の出力端子９に出力される。このとき、プリアンプ５をアバランシェフォトダイオード１のできるだけ直近に配置することで、アバランシェフォトダイオード１の出力信号を最短の配線長で電圧変換することができ、信号対雑音比の低下をさらに抑制することができる。
【００３４】
図３にコア径やビーム径等の具体的な寸法例を示す。
【００３５】
アバランシェフォトダイオード１の受光面１ａと、シングルモードファイバ２の端面２ａとの結合距離Ｌは１００μｍ以下に設定される。また、シングルモードファイバ２は、コア直径１０μｍ、その開口数（ＮＡ）０．１程度である。従って、１００μｍ先の受光面１ａにおける光ビームの広がり直径は約３０μｍとなる。
【００３６】
一方、アバランシェフォトダイオード１の受光面１ａの直径は約５０μｍ、さらにその中でも、特に高い電流増倍作用の発生する領域は３５μｍ程度の範囲であるが、上述したように受光面１ａにおける光ビームの広がり直径は約３０μｍであり、受光面１ａの中心とシングルモードファイバ１の光軸は一致されているので、シングルモードファイバ２の端面２ａから射出された光ビームは、アバランシェフォトダイオード１の受光面１ａ内の特に高い電流増倍作用を発揮する領域３５μｍ内に入る。従って、高倍率で極めて効率よく光電変換することができる。
【００３７】
ＰＩＮ形フォトダイオードを用いた従来のＳＭＴ受光モジュール（図４）と比較すると、伝送路または光源（図示せず）と接続されたマルチモードファイバ４２の端面から、−３２ｄＢｍ（０．６μＷ）の放射光がＰＩＮ形フォトダイオード４１の受光面４１ａに入射すると、０．５μＡ程度の光電流が生じる。
【００３８】
これに対し、本発明のＳＭＴ受光モジュールでは、前述したように、−４０ｄＢｍ（０．１μＷ）の入射光で約１．７μＡの光電流が生じるため、従来のＰＩＮ形フォトダイオード（ＰＩＮ−ＰＤ）を用いたＳＭＴ受光モジュールに比べて極めて小さな光入力電力まで使用可能であることが分かる。
【００３９】
尚、前記実施例では、シングルモードファイバ２の端面２ａを光軸と垂直な方向に平面切断した場合について例示したが、パッケージ１０内の部品配置の都合によっては、端面２ａがシングルモードファイバ２の光軸に対して斜めに交わるように平面切断して光ビームの射出方向を変え、この射出方向を変えられた光ビームの光軸に対して受光面２ａが垂直となるようにアバランシェフォトダイオード１の位置を設定してもよい。
【００４０】
請求項１記載の発明によれば、表面実装可能なパッケージを備え、該パッケージ内に、所定長さからなる短尺光ファイバと、該短尺光ファイバの端面と所定の間隔をおいて対向配置され、短尺光ファイバと光学的に直接結合された受光素子とを組み込んだ表面実装型受光モジュールにおいて、前記受光素子としてアバランシェフォトダイオードを用いるとともに、前記短尺光ファイバとしてアバランシェフォトダイオードと対向する端面を平面切断したシングルモードファイバを用いたので、従来のＳＭＴ受光モジュールに比べて極めて小さな光入力電力まで使用でき、長距離中継にとって必要な最小受光感度−４０ｄＢｍ（０．１μＷ）を達成することができ、高感度で、しかも受光素子と短尺光ファイバを直接結合することができるＳＭＴ受光モジュールを得ることができる。従って、本発明のＳＭＴ受光モジュールを用いれば、光ファイバ通信システムの中継間隔を拡大し、中継器数を削減できるので、光ファイバ通信システムを経済的に構築することが可能となる。
また、アバランシェフォトダイオードで発生する光電流を電圧信号に変換するプリアンプをパッケージ内に位置してアバランシェフォトダイオードの直近に実装し、該プリアンプの信号入力部とアバランシェフォトダイオードの出力端子とを接続したので、信号対雑音比の低下を抑制することができ、より高性能のＳＭＴ受光モジュールを提供することができる。
【００４１】
請求項２記載の発明によれば、アバランシェフォトダイオードとしてＩｎＧａＡｓ−ＡＰＤを用いるとともに、アバランシェフォトダイオードとシングルモードファイバとの結合距離を１００μｍ以下としたので、−４０ｄＢｍ（０．１μＷ）程度の最小受光感度を有する光波長１．３〜１．５５μｍ帯の長波長光通信用のＳＭＴ受光モジュールを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例にかかるＳＭＴ受光モジュールの短尺光ファイバと受光素子部分の構造を示す略示斜視図である。
【図２】本発明の一実施例にかかるＳＭＴ受光モジュールの内部構造を示す略示平面図である。
【図３】本発明におけるコア径やビーム径等の具体的な寸法例の説明図である。
【図４】ＰＩＮ形フォトダイオードとマルチモードファイバを用いた従来のＳＭＴ受光モジュールの要部略示平面図である。
【図５】アバランシェフォトダイオードとマルチモードファイバを用いた従来のＳＭＴ受光モジュールの要部略示平面図である。
【符号の説明】
１            アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）
１ａ        受光面
１ｂ        アノード（出力端子）
２            シングルモードファイバ（ＳＭＦ）
２ａ        端面
３            キャリア
３ａ        パターン電極
４            Ｖ溝基板
５            プリアンプ
５ａ        信号入力部
６            ボンディングワイヤ
７            フェルール部
８            接続補助部品
９            出力端子
１０        パッケージ
Ｌ            結合距離
【図１】
0003612447.tif 000002
【図２】
0003612447.tif 000003
【図３】
0003612447.tif 000004
【図４】
0003612447.tif 000005
【図５】
0003612447.tif 000006