(57)【要約】【課題】周波数の異なるアナログ信号を多数伝送する光ＣＡＴＶの受信器に用いる受光素子は感度が大きくしかも歪みが特に小さいものでなければならない。従来の受光素子は感度を大きくすると歪みが大きくなる。感度を減らすことなく歪みを下げるような受光素子を提供することが目的である。【解決手段】基板側から光を入射させることとし基板面に中平周凸レンズを設けた。レ−ザの光がガウシアンであっても中平周凸レンズによって受光層において光強度が一様になるようにできる。光密度が均一であるから歪みが小さく感度が高い。【選択図】図６
2006295222.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アナログ光信号を受信する半導体受光素子モジュールであって、光ファイバとパッケージと前記パッケージに収納され前記光ファイバから出射された信号光を受信する裏面入射型のフォトダイオードチップとよりなり、前記フォトダイオードチップは、半導体基板の第１の面に一定の受光径の受光部を有し、第２の面の前記受光部に相対する位置に一体化して設けられた先端中央部分は平坦部で周辺部はレンズ効果を持つ内平周凸レンズを有し、前記信号光のうち前記内平周凸レンズの平坦部の最外周を通って入射した光線は略直進して受光部の外周部付近に入射し、前記信号光のうち内平周凸レンズの集光作用を有する周辺部を通って入射した光線は集光作用により同じく受光部の外周付近に入射することを特徴とする半導体受光素子モジュール。
【請求項２】
アナログ光信号を受信する半導体受光素子モジュールであって、光ファイバとパッケージと前記パッケージに収納され前記光ファイバから出射された信号光を受信する裏面入射型のフォトダイオードチップとよりなり、前記フォトダイオードチップは、半導体基板の第１の面に一定の受光径の受光部を有し、第２の面の前記受光部に相対する位置に一体化して設けられた先端中央部分は平坦部で周辺部はレンズ効果を持つ内平周凸レンズを有し、前記信号光がガウシアンビームであり、前記ガウシアンビームの強度が１／２になる角度以内にある光が内平周レンズの平坦部を通り略直進して受光部に入射し、前記ガウシアンビームの強度が１／２になる角度より外側にある光が内平周凸レンズの集光効果を有する周辺部を通り集光作用により受光部に入ることを特徴とする半導体受光素子モジュール。
【請求項３】
内平周凸レンズの中心が光ファイバ光軸の延長線上にあり、前記半導体基板の屈折率ｎ２、フォトダイオードチップの受光径半径ｒ、内平周凸レンズの平坦部直径ｄ＝２ｒ、レンズ開口部Ｄ＝４ｒ、レンズ半径４ｒ，光ファイバの光量が０になる角度が開口角θ＝θｍａｘ、光のパワーが中心の半分に減り、前記開口角の丁度半分の角度をもつ広がり角をθ１／２とするとき、
受光部は基板裏面から
Ｗ＝（（Ｄ−ｄ）／２）×ｔａｎ（６０゜＋（ｓｉｎ−１（ｓｉｎθｍａｘ＋３０゜）／ｎ２）））
の位置に配置し、光ファイバ端面をレンズ平坦面から（ｄ／２）ｔａｎθ１／２に配置したことを特徴とする請求項１または２に記載の半導体受光素子モジュール。
【請求項４】
前記フォトダイオードチップの受光層がＩｎＧａＡｓよりなることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体受光素子モジュール。
【請求項５】
前記フォトダイオードチップが、ＩｎＰ基板、ＩｎＰバッファ層、ＩｎＡｌＡｓ受光層、ＩｎＰ窓層をこの順に含むことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の半導体受光素子モジュール。
【請求項６】
前記フォトダイオードチップの受光部の受光径が略５０μｍで、ＩｎＰ基板裏面より約６７μｍの深さにあり、基板裏面に設けた内平周凸レンズの先端の平坦部の外形が略５０μｍであり、内平周凸レンズの集光作用のある外周部の外径が略１００μｍであり、その彎曲部の曲率半径が略１００μｍであり、光ファイバが波長１．３μｍ光用のシングルモードファイバでフォトダイオードチップとの距離が５００μｍである、ことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の半導体受光素子モジュール。
【請求項７】
前記フォトダイオードチップの受光部の受光径が略８０μｍで、ＩｎＰ基板裏面より約１０８μｍの深さにあり、基板裏面に設けた内平周凸レンズの先端の平坦部の外形が略８０μｍであり、内平周凸レンズの集光作用のある外周部の外径が略１６０μｍであり、その彎曲部の曲率半径が略１６０μｍであり、光ファイバが波長１．３μｍ光用のシングルモードファイバでフォトダイオードチップとの距離が８００μｍである、ことを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の半導体受光素子モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信や光計測に用いられる受光素子（フォトダイオード）、及び受光素子を光ファイバを組み合わせたフォトダイオードモジュールに関する。特に受光面での光パワーの分布がより一様であり受信信号の歪みが少ない受光素子モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
（１）従来例にかかるフォトダイオードチップまず従来から用いられる一般的なフォトダイオードチップを図１に示す。波長によってフォトダイオードの材料が異なる。光通信などでは近赤外の１．３μｍや１．５５μｍを用いることが多い。これらの光はＧａＡｓ素子が発生する光よりも波長が長いので長波長帯という言い方をすることがある。１．３μｍや１．５５μｍの長波長帯では、主にＩｎＧａＡｓを受光層としたｐｉｎＰＤが用いられる。フォトダイオード１は、ｎ−ＩｎＰ基板２の上に、ｎ型ＩｎＰバッファ層３、ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層（光吸収層）４、ｎ型ＩｎＰ窓層５をエピタキシャル成長させたエピタキシャルウエハーの上に作られる。素子単位の中央部にＺｎを拡散してｐ型領域６を作る。ｐ型領域６とｎ型半導体の境界がｐｎ接合７である。受光部を除いてパッシベ−ション膜８が形成される。受光部とパッシベ−ション膜８の上に反射防止膜９を被覆する。Ｚｎ拡散した受光部の上にｐ電極１０を設ける。基板の裏側にｎ側電極１１を形成する。
【０００３】
これでウエハ−上に同一の素子が数多くできるから切り放してチップとする。チップをパッケージに入れて電極とリードをワイヤボンディングしキャップを被せ、気密封止すると独立の受光素子になる。独立の素子とすることもあるが、使いやすいように光ファイバと受光素子チップを一体化した受光素子モジュールとしても利用される。
【０００４】
（２）従来例にかかるＰＤモジュールモジュールにする場合は、ケース（パッケージ）１２に受光素子チップ１を固定し、光ファイバ１４がこれに対向するように設ける。後段の電気回路のグランドにつながれるケース１２から浮き上がらせるために、ＰＤチップは、絶縁物を介してグランドに固定される。この絶縁物はサブマウント１３と呼ぶ。例えばアルミナ（Ａｌ2 Ｏ3 ）、ＡｌＮなどのセラミックの板の両面をメタライズしたものなどをサブマウント１３とする。パッケージ１２にサブマウント１３を固定しさらにその上に受光素子チップ１をＰｂＳｎ半田によって固定する。その後、ＰＤのアノード（ｐ電極）、カソード（ｎ電極）をそれぞれのリード１５、１６にＡｕ線によってワイヤボンディングする。
【０００５】
気密封止のために金属製のキャップ２２を被せる。この例では、球レンズ２３の付いたキャップ２２を用いている。光ファイバ１４と結合しやすくするためである。ケースピン１７はパッケージ１２に直付けされる。パッケージ１２の外側にはスリーブ１８を固定する。フェルールホルダー１９にはフェルール２０が挿通してある。フェルール２０はシングルモードファイバ１４の先端を支持している。フェルールホルダー１９をスリーブ１８に対して水平に移動しファイバ１４からの光をフォトダイオード１で検出し適当な光量を得る位置で、フェルールホルダー１９をスリーブ１８に対して固定する。さらにフェルール２０を軸方向に動かしフォトダイオードの光量を監視して軸方向の位置を決め、フェルール２０をホルダー１９に対して固定する。ファイバの過度の湾曲を防止するために、ベンドリミッタ２１がフェルールホルダー１９の外側に差し入れられる。
【０００６】
【特許文献１】特願平６−１７１８７３号「アナログＰＤモジュール及びその製造方法」
【非特許文献１】Ｍ．ＭＡＫＩＵＣＨＩ，  Ｏ．ＷＡＤＡ，  Ｔ．ＫＵＭＡＩ，  Ｈ．ＨＡＭＡＧＵＣＨＩ，  Ｏ．ＡＯＫＩ，  Ｙ．ＯＩＫＡＷＡ，  "ＳＭＡＬＬ−ＪＵＮＣＴＩＯＮ−ＡＲＥＡ  ＧａＩｎＡｓ／ ＩｎＰ ｐｉｎ  ＰＨＯＴＯＤＩＯＤＥ  ＷＩＴＨ  ＭＯＮＯＬＩＴＨＩＣ  ＭＩＣＲＯＬＥＮＳ“,  ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ，ｖｏｌ．２４，Ｎｏ．２，ｐ１０９，（１９８８）
【特許文献２】特開平４−１１１４７７号（特願平２−２３０２０６号）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は光ＣＡＴＶの受信器として用いる受光素子とそのモジュールを与えることを目的とする。従来の受光素子やそのモジュールを光ＣＡＴＶに利用するとすればどのような問題があるのかを説明する。初期の光ＣＡＴＶでは、数チャンネル（ｃｈ）の伝送を行うにすぎなかった。しかし現在では４０ＣＨが標準である。最近ではさらに８０ＣＨ〜１１０ＣＨを伝送できるシステムに対する要望もある。このような多チャンネル化に伴い、受信器の周波数帯域も広がらざるをえない。従来は４５０ＭＨｚの帯域で十分であったが、チャンネル数を多くしようとすると、８６０ＭＨｚの周波数帯域が必要になる。
【０００８】
さらに問題がある。より多くの家庭（端末）が加入するようになり、より多くの端末に信号光を送る必要が出てきた。そのためにより高出力のレ−ザ光源を使わざるをえないようになってきた。すると受信光も強くなり、１ｍＷ以上の強いパワーのレ−ザ光が受光素子に入射する場合も出てきた。つまり周波数はより高く光強度はより強く集中してきたということができる。
【０００９】
従来のＰＤモジュールでは、パワー集中度が甚だしく周波数の高い信号光を、感度を落とすことなく歪みを生じないように受信することが難しかった。ここで歪みというのは受信器の非線形性による受信信号の乱れのことで、二次歪み、三次歪みなど高次の項が受光素子の出力に含まれるということである。光ＣＡＴＶは、アナログ信号を送信するから、二次歪みがあれば、任意の二つの送信周波数ｆ１ 、ｆ２ の和ｆ１＋ｆ２や差ｆ１−ｆ２が現れる。これらの値が第３の周波数ｆ３に接近していると、これらの間で混信が起こる。多くの周波数の信号を含む光信号を１本の光ファイバによって伝送するから歪みがあると著しく受信信号の質を低下させる。歪みが無いことが望まれる。
【００１０】
どうして歪みが生ずるのか？どうして高次の項、高調波が発生するのか？その原因ははっきりしない。しかし次のようなことは分かっている。光のパワーが大きいほど二次歪みは著しい。チャンネル数が多い方が歪みは起こりやすい。高次の項であるからパワーが大きくなるに従って現れやすくなるのは当然である。従来のようにレンズによって幾何光学的に強く絞ると局所的にパワーが大きくなり歪みが現れるのである。つまり光ＣＡＴＶの進展は歪みをより大きくする傾向を色濃く持っている。
【００１１】
受光素子をレンズの距離を変えてゆくと、感度と歪みが距離の関数として変動する。感度が最大の位置よりも遠くにおいて歪みが小さくなる。歪み抑制を優先すると感度が落ちてしまう。であるから、感度を落とさず歪みを減らすことが難しいと述べたのである。
本発明者は、歪みを減らす為に、球レンズの収差を積極的に利用した受光素子モジュールを特許文献１の特許出願として提案した。
【００１２】
特許文献１は球レンズによる光ファイバ端面の像点よりももっとレンズ側に受光素子を近づけるものである。感度は高いままで歪みの小さい点が、像点よりもレンズ側にあるのである。これは受光素子位置を前方にデフォーカスすることによって歪みを減らす手法である。
本発明は、同じくアナログＰＤモジュールにおいて、感度を落とさず、歪みを減らす別の方法を提案する。これはより少ない部品によって歪みの少ない受信器を実現する事ができる。歪みが大きくなるのは局所的に光のパワーが過大になるからである。従来の球レンズや球面をもつレンズは、全ての光を一点に集中させる。この点が光ファイバ端面の像点である。一点集中させると歪みが発生しやすい。
【００１３】
アナログ光信号を受信する受光素子において、信号歪みの少ない受光素子を提供するのが本発明の第１の目的である。多数のチャンネルがあっても混信を起こさないように受信できる受光素子を提供するのが本発明の第２の目的である。部品コストを押し上げることなく、歪みの小さい受信を可能にする受光素子モジュールを提供することが本発明の第３の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の受光素子は、中央部は集光作用がない平坦面とし周辺部のみ凸面としたレンズを受光素子チップに一体的に作るものである。これによって光ファイバからの光を一点に集中させることなく受光素子の受光面の全体に一様に広げるようにする。受光面では光の強度がほぼ一定になるようにし、受光面より外側には光が殆ど存在しないようにする。レンズは特殊な断面形状をしている。中央部では平坦であって集光作用がなく、周辺部では球面の一部であって集光作用がある。簡単にいうと中平周凸レンズということができる。さらに簡単にメサ型レンズと呼ぶことにする。本発明の受光素子は中平周凸レンズ或いはメサ型レンズを一体的に受光素子に形成したというところに特徴がある。
【００１５】
図１５と図１６によって、本発明の思想の概略を予め説明する。図１５半導体基板の裏面に中平周凸レンズを形成した場合の光線の屈折を示す。レンズはＬＪ間で平坦であり、ＬＮとＪＨ間で凸球面レンズになっている。ＬＪの内部の円に入射したビ−ムは屈折しないで直進する。シングルモ−ドファイバの開口角の半分の円錐角に含まれるビ−ムが丁度平坦面ＬＪに入るようにする。これより外側のビ−ムは凸球面レンズの部分ＮＬ、ＪＨに入るようにする。
【００１６】
受光素子の受光層は下方のＱによって示される。これも円形の領域である。中心部を通ってきた光はＬＪ間に入るから屈折することなく基板に入り直進して、受光層Ｑの全体に広がる。受光層Ｑはこのように中央の平坦部を通過した光を受ける。それだけではない。周辺部ＬＮ、ＪＨに到達した光は、強く屈折し、より遠くへ入った光ほど、より内側に曲げられて基板の中央近くの点Ｉ、Ｐに到達する。つまり周辺部の光はＬＮは分布が反転して基板上ではＭＰの範囲に広がる。これは部分レンズＮＬ、ＬＨの焦点が基板内部に位置しており、受光面は焦点より遠くにあることに原因がある。
【００１７】
これによって好都合なパワ−の再分配が実現する。図１６のビ−ムはガウシアンを示すが、レンズの直前では、ＮＬＪＨに示すようにガウシアンそのものである。イケオウコアの分布を持つ。しかしレンズによってＮＬとＪＨの部分が反転するから分布のアとイの部分が縦線Ｌ、Ｊを境に折り曲げたようになりコ、ケに重なる。つまり上にカ、キを積み重ねたような分布に矯正されることになる。つまりイ→キ、ア→カのようなパワーの再分布が起こる。これを起こさせるのが、中平周凸レンズＮＬＪＨである。
【００１８】
作りつけのレンズを受光素子に形成するというものはすでにいくつか提案されている。しかしいずれもコスト削減のために独立の球レンズを省いて、チップにレンズ部分を形成したものにすぎない。であるから球面のレンズであって収差のないものが理想とされる。球面レンズであるから一点に光を集中させる。であるから歪みは大きい。アナログの多チャンネル信号を扱うには不適である。本発明とコンセプトが違うのであるが、ここに作りつけレンズの従来例を非特許文献１によって説明する。
【００１９】
非特許文献１はＩｎＧａＡｓを受光層とするＩｎＰ系のフォトダイオードのＩｎＰ基板底面に球面の一部をなすレンズを作成したものである。チップの寸法は２００μｍ×２００μｍである。球面レンズの曲率半径は５５μｍであって、レンズの開口は５０μｍである。これはフォトレジストをレンズ状に基板底面に塗布しエッチングすることによって中央でエッチング量を小さく、周辺でエッチング量を大きくして球面の一部をなるレンズをきれいに作成している。これは集光性をあげるためであって歪みは問題にしていない。
【００２０】
受光素子チップに作りつけレンズを設けるという点では同じであるが、本発明とこれらの従来例とは目的が異なり、レンズの形状が相違する。両者を判然と区別することが大切である。そこではじめに従来例にかかる球面レンズの原理を説明することにする。
【００２１】
図３は従来例にかかる作りつけ球面レンズを持つ受光素子に光ファイバからの光線が入射する場合を示す。光ファイバの端点Ｇからビームが出る。これは円錐形に広がりながら進む。軸線をＧＴとする。球面レンズｂと受光面（受光層）Ｑが示される。受光面Ｑは図１のｐ型ＩｎＰ６の部分に該当する。裏面から入射するようになっていて、図１の素子の底面側から光が入る。ｎ電極はリング状にする。ＧＨ、ＧＮが光ファイバの開口角一杯の広がりを示す。この開口角θはクラッド、コアの屈折率によって決まるのであるが、ここでは５．７゜である。そのθのちょうど半分の角度（２．９゜）の広がり角をもつ部分をＧＪ、ＧＬによって示している。この素子は基板側に球面の一部をもつレンズｂを作りつけで作製しているから、すべての光線が集光される。レンズの曲率半径は１００μｍである。受光素子と光ファイバの距離は５００μｍとしている。
【００２２】
開口角に沿う光線ＧＨ、ＧＮはＨＩ、ＮＰのように曲がる。半角の光線ＧＪ、ＧＬはＪＫ、ＬＭのように屈折する。これらの光線は、受光素子の受光層Ｑに集まる。受光層Ｑは面方向に広がりがある。光は受光層（面）Ｑに一様に分布しない。球面レンズｂは球面ＨＪＬＮを持つ結像レンズであるから一点に集中させる傾向がある。結像位置に受光面Ｑがくるようにレンズを作るから中心付近で光強度が高く周辺部では光強度が弱い。感度は受光面に入った光の総量によるから、感度だけが問題の場合は、光が受光面Ｑで一点に集中しても差し支えない。
【００２３】
しかし本発明では歪みを問題にする。受光素子において高調波が現れると、差周波数や和周波数が出現し、他のチャンネルとの混信を引き起こす。このような非線形性がどうして出現するのか？いまだ明確でないが、ひとつの原因は光パワーの過度の集中である、と本発明者は考える。図３の作りつけレンズは感度を上げる作用はあるが、歪みには全く無力である。レ−ザのビームの空間的強度分布がガウシアンであるとすると、レンズで絞ったものもガウシアンである。つまりレンズで絞るだけに余計に歪みが大きくなる。
【００２４】
そこで、本発明者はレンズによって光ファイバからの光を集光し、焦点の前後の位置で軸垂直方向の光量の分布と、その位置での歪みＩＭＤ２を測定した。これによって、ビームの軸垂直方向の広がりと、二次歪みＩＭＤ２の相関を知ることができる。
【００２５】
図５は軸方向の距離が異なる５つの位置Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅにおける軸垂直方向の光の分布を実測した結果を示す。全光量はどこでも同じである。点Ａがレンズによる光ファイバ端面の像の位置である。ここは当然に光の集中度が高く中心より±１０μｍの範囲に殆どの光パワーが集中している。点Ｂはそれより少しレンズ側にデフォーカスした位置である。中心部の光パワーがＡ点に比べて０．４に低下している。点ＣはさらにＢよりもレンズ側によった位置である。中心部での光パワーがさらに減少しＡの場合の０．１６倍程度に減り周辺部のパワーが相対的に増えている。光パワーの存在する範囲が±３０μｍの程度に広がっている。点Ｄはもっとデフォーカスした位置である。光パワーの広がりは±４０μｍにもなる。点Ｅは中央の光パワーがＡに比べて０．０８の程度であって光は周辺部にまで広がっている。広がりは±５０μｍ程度になる。
【００２６】
このように広がっていても像を見るのではなく、受光素子で光強度を検出すればよいのであるから別段差し支えない。受光素子の受光面積がこれらのビーム広がりをカバーしてさえいればよいのである。受光素子の広がりを±５０μｍ以上つまり直径を１００μｍ以上にすれば、点Ｅのように著しいデフォーカスであっても総光量を受けることができる。図５（ｂ）はそれぞれの位置における二次歪みＩＭＤ２の測定結果である。これは驚くべきことを明らかにする。横軸は光密度の比である。これは軸中心への光パワーの集中度をＡを基準にしｄＢ単位で示したものである。縦軸は二次歪みである。
【００２７】
これは信号ｓが入射したとき、受光素子の出力がａｓ＋ｂｓ２ ＋…と表現されるとき、二次の高調波を一次成分で割ったもので、１０ｌｏｇ（ｂｓ／ａ）である。横軸は左へ行くほど中心での光パワーが弱くなり、分散の甚だしいものである。ところが、二次歪みはなんと分散の大きいビーム形の方がより小さいのである。点Ａは焦点の位置に受光素子をおいたというものであるが、二次歪みは大きく−５７ｄＢである。点Ｂではビームが広がるが歪みは−６６ｄＢに減る。点Ｅでは光は広く分散しているが二次歪みは−８３ｄＢと極めて小さい。
【００２８】
このような結果は常識に反するものである。結像系ということでは点Ａの焦点位置に受光素子を置くのがもっとも良い。しかし歪みは最も大きい。反対に光が広がっている点Ｅでは結像していないのでこの位置に受光素子を置くというのは抵抗があるかも知れない。
【００２９】
しかし実際には予想に反し、この位置が最も二次歪みが小さい。良い結像系はすなわち、歪みの低い良い受信をすると思いがちであろう。しかし事実は全く反対である。良い結像系は深刻な歪みをもたらすのである。このような歪みと結像の相反性が本発明者がおそらく初めて気づいたものであろう。
【００３０】
さてこれからビームの分布の問題を取り上げる。そのためにはじめに光ファイバを伝搬した光の軸と直角方向の光パワーの分布について述べる。図４はガウシアンビームを仮定した場合の光ファイバ出射光の角度分布を示す。これはレ−ザの横モードによって決まるのであるが、典型的な例としてガウシアンビームを取り上げる。横軸は出射角θである。光量が０になる角度が開口角である。つまりＨ、Ｎ点がここに対応する。θ１／２はパワーが中心の半分に減る角度である。Ｌ、Ｊがこれに対応する。
【００３１】
このようなガウシアンを収差のないレンズで集光し或いは拡散しても横方向の分布は常にガウシアンである。収差が無いと言うことは原画像を忠実に拡大縮小するということである。ガウシアンのように中心に局在するビームを絞ると、図５のＡの例のようになるが、これは最も歪みが甚だしくなるのである。図５は局在させない方が歪みを小さくできるということを言っている。本発明者の先願は受光素子を結像点よりレンズ側にずらして歪みを減らしている。
【００３２】
本発明では異なる手法でやはり中心への光パワーの集中を防ぐ。いかなる手法を用いるのか？レンズに工夫をする。中心部はほぼ平坦で、周辺部を球面の一部とする。周辺部では集光結像の作用がある。しかし中心部は、結像集光作用がない。
【００３３】
この表現は分かりやすいが、不正確である。中心部も周辺部も結像作用があるのはある特定の距離ｚにおいてである。中心部の焦点距離をｆ１、周辺部の焦点距離をｆ２とすると、ｆ１ ＞ｆ２ であって、受光素子の受光面が周辺部の結像点の近傍にくるようにするということである。曲率半径でいうと中心部の曲率ρ１が周辺部の曲率ρ２よりも小さく（ρ１ ＜ρ２）、受光面が周辺部による像点の近くにある、ということである。
【００３４】
つまり二つの条件があり、レンズの幾何学的な特異性が一つ、レンズと受光面の距離ｚ１がもう一つの条件である。後者の条件も重要である。前者はレンズの幾何学的な異形性であって分かりやすい。しかし後者の条件を、忘れてはならない。
【００３５】
そうするとレンズの周縁部に到達した光は中心方向に集光されるが、中央部に至った光は集光されない。このような半径方向の集光の特異性があるから、はじめガウシアンであっても、中央部はほぼ平坦な光パワーをもち周辺部は殆ど光パワーがないようになる。つまり中央集中的なガウシアン分布をしていた光は、本発明のメサ型レンズによって矩形分布の光になる。
図７は矩形分布の光パワーを示す。横軸は角度θである。これは受光面における広がりと解釈することもできる。殆どの光パワーは線Ｌ、Ｊの間に入る。ＬＪの外側に漏れる光はごくわずかである。
【発明の効果】
【００３６】
受光層において光密度が高いほど歪みが大きくなる。感度は、全光量に比例する。本発明は受光素子チップに中平周凸レンズを作りつけにし、あるいは固定するので受光層において光密度分布が一様になる。本発明は光密度が受光層においてほぼ均一であるから歪みは小さくしかも感度が大きい。歪みが小さいのでアナログのＰＤモジュールとして最適である。チャンネルの数が多くてもクロストークなどが起こらない。高感度で低歪みの受信器を作製することができる。光ＣＡＴＶの受信器の受光素子モジュールや、光計測に用いる受光素子として最適な性能を持つ。
【実施例１】
【００３７】
［実施例１：受光層の直径が５０μｍの受光素子チップ］
図６は本発明の第１の実施例にかかる受光素子モジュールの概略断面である。ＩｎＰ基板にＩｎＧａＡｓ受光層Ｑをもうけている。これは裏面入射型の受光素子チップである。チップの厚さは１００μｍである。裏面（つまり基板面）にメサ型レンズを作る。つまり中央部ＪＬでは平坦な面をもち、周辺部ＬＮ、ＨＪでは半径Ｒ＝１００μｍの球面となっている。光ファイバＧとの距離は５００μｍである。図３のものと違うのは、レンズの中央部ＬＪが平坦面になっているところである。ＬＪ部分は半径５０μｍの円形の領域である（ＬＪ＝１００μｍ）。レンズ全体の大きさは半径１００μｍ（ＨＮ＝２００μｍ）である。
【００３８】
１．３μｍ用のシングルモードファイバの場合、開口角は５．７度である。しかし特に強度の強い部分は２．９度の範囲である。だからＧＬ、ＧＪの部分に光量の大部分が含まれる。ＪＬは平坦面であるから境界でスネルの法則に従って屈折するが殆ど光軸と平行な光となる。ＩｎＰの屈折率が３．５と大きい値であるためにＪＬの端点でも広がり角は０．８３度にすぎない。つまりＪＫ、ＬＭは光軸ＧＴに殆ど平行である。集光作用はない。ＬＪでのビームの分布（ガウシアンの中央部）をそのままＫＭに転写すると言って良い。これだけではＬＪ間で光強度が一様にならない。ガウシアンのままである。ガウシアンの両端部の下がりを埋めるのがそれより外側からくる光なのである。
【００３９】
残りの光は２．９゜〜５．７゜にある。これらは球面レンズの一部ＪＨ、ＬＮによって屈折し集光される。球面ＪＨ、ＬＮの結像距離に受光層Ｑが位置する。レンズ端面からの受光層までの距離ｆの厳密な設定が重要である。レンズから受光面までの距離を適当に決めることにより、周辺部で屈折された光が殆ど全て受光面に入射し、しかも受光面内での光強度分布を一様にできる。例えば最外角の５．７°の光は屈折されて２０．４゜の角度で絞られる。その広がりを５０μｍφ（受光層の面積）にするには、受光層が基板裏面からｗ＝６７μｍの深さに形成されていれば良い。
【００４０】
このような構成によって図７のような受光層面内で、均一な光強度をうることができる。中央部の光は平行に進むから距離ｗはどうでも良い。しかしレンズ部を通る周辺の光にとって、距離ｗは重要である。距離を厳密に決めなければならないので、作りつけのレンズが有利なのである。メサ型のレンズを外部にとりつける場合は位置決めに手数がかかる。また不正確である恐れもある。作りつけにしてしまえば位置決めも不要である。
【００４１】
そのような観点からメサ型のレンズによって光パワーを矩形分布にしようとする場合、図８のように裏面入射型の受光素子として、基板裏面に作りつけレンズを作製すればよい。これは図１の受光素子を上下反対にした形状に書いてある。ｎ型ＩｎＰ基板２の上にｎ型ＩｎＰバッファ層３、ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層４、ｎ型ＩｎＰクラッド層（窓層）５がエピタキシャル成長してあり、ｎ型ＩｎＰクラッド層の中央部にはｐ型領域６が形成される。これとは別に周辺部にもｐ型領域３０がある。これは漏れ光吸収用のｐ型領域である。周辺部にもしも漏れ光が入ってここで光電変換されてもｐｎ接合があり電荷が電極まで走行できない。漏れ光が光電流を発生しないので応答性に優れる。中央部のｐ型領域の上にはｐ側電極３１がある。これはリング電極ではない。ｐ側から光を入射する必要がないからである。ｐ側電極３１以外の領域はパッシベ−ション膜８によって覆われている。
【００４２】
裏面から光が入るタイプの素子であるが、入射部分に作りつけレンズ３３が形成してある。これはｎ型ＩｎＰ基板の一部を残すことによって作られるレンズである。単純な球面を持つレンズではない。中央部が平坦面３４に周辺部が球面３５になったメサ型のレンズである。レンズの回りに、ｎ側の電極３２が形成される。このようにメサ型レンズを使うと、図７のように特定の広がりＬＪ間での光パワーがほぼ一定になり、その外側での光パワーがほぼ０になる。これはメサ型レンズの効果である。
【００４３】
作りつけにした効果はまた別にある。一つは部材を減らしたので部品コストを下げることができる、ということである。もう一つは、もっと根本的な長所である。ガウシアンビームを図７のように矩形分布に変化させるには、レンズと受光面の距離を厳密に規定しなければならない。独立のメサ型レンズを別体で制作しても位置合わせが難しい。軸方向の位置合わせ、軸直角方向の調芯などの作業に時間がかかり製造コストを押し上げる。作りつけならそのような調芯固定の作業が全く不要である。
【００４４】
すると作りつけメサ型レンズをどのようにして作ることができるのか？問題はここに絞られよう。ところがメサ型レンズを作るのは簡単である。図９によって説明する。図９（ａ）のように、ＩｎＰ基板２の裏面にレジスト３８を半球状に形成する。そしてイオンビ−ム３９を照射してイオンエッチングする。レジスト３８によって覆われた部分４０はそのまま残る。覆われない部分４１は一様に除去されて行く。レジスト３８によって覆われた部分４０も安泰ではない。イオンビ−ムによってレジストも次第にエッチングされて痩せてくるのである。
【００４５】
レジスト３８が端から削られて行くので被覆部が減少してくる。被覆部４０の端の部分４２から基板が露呈してきてその部分が削られる。レジスト３８が段々と低く狭くなり次第に露出した部分が削られるから図９（ｂ）のようにレジスト３８の減少とともにレンズのような形状に基板成分が残って行く。レジスト３８が全部消えるまでエッチングをすると完全に球面のレンズができる。
【００４６】
しかしそこまでエッチングを進行させない。図９（ｂ）のように、中央部に少しのレジスト３８を残す時にエッチングを終了する。レジストがなくなっている部分４３は凸球面の一部になっている。レジスト３８が残っている部分は平坦面４４になる。このようにレジストを一部に残した状態でエッチングを止めるということが重要である。ここでレジストを除くと、図９（ｃ）のように平坦面３４と凸球面３５よりなる中平周凸レンズ３３が作製される。
【実施例２】
【００４７】
［実施例２：受光層直径が８０μｍの受光素子チップ］
実施例１では受光径が５０μｍのものについて説明した。光ＣＡＴＶで使用される周波数はせいぜい１ＧＨｚまでである。あまり高くないから受光径がかなり広くても十分に動作する。ＰＤの受光径は８０μｍ〜１００μｍのものが使われる。そこで、受光径が８０μｍの場合の実施例を説明する。
【００４８】
図１０によって受光素子の断面と光線の屈折などを表す。チップの厚みは基板とエピタキシャル層を含めて約１２０μｍである。受光面の径（受光径）は２ｒ＝８０μｍである。基板の裏面には直径が１６０μｍのメサ型の作りつけレンズが形成される。中央部には平坦面ＪＬがあってこれの直径は８０μｍである。受光層の直径８０μｍと等しくしてある。従ってｒ＝４０μｍ〜８０μｍの同心円状の部分が球面の一部をなす凸湾曲面になっている。
【００４９】
図３、図６に関連して述べたように、１．３μｍ用のシングルモードファイバの場合、開口角は５．７゜であるが、強度の強い光は主に２．９゜（頂角は５．８゜）の円錐に含まれる。θ＝２．９゜の円錐が、図１０のレンズの平坦部ＬＪ（８０μｍφ）に合致するのは、ファイバ端とレンズの距離がＬ＝８００μｍとなる時である。つまり２Ｌθ１／２ ＝ＪＬによってＬを決める。するとθ１／２ ＝２．９゜に含まれる強度の強い光は平坦面ＪＬに入射する。これは単純な平面であるから集光されることなくほぼ平行光（傾き角は０．８３゜）ＩｎＰの屈折率が大きいから）となって受光層に至る。ＪＫ、ＬＭのようにそのまま直進し受光層のほぼ全域に広がる。
【００５０】
そうは言っても２．９゜に含まれていても元はガウシアンであるから、端での光パワーは相対的に弱い。これを補填するのが球面ＪＨ、ＬＮからの収束光である。これは半径が１６０μｍの球殻の一部を持つ。ＬＮ内に入って来た光はＬＵ、ＮＰによって囲まれる範囲に屈折される。受光層の端のＵＰの部分にこれらの光が入射する。ＬＵの軸線となす角度は９．６゜である。外側の光線ＮＰは軸と２０．４゜をなす。受光層は裏面から１０８μｍである。レンズ面の点Ｎと受光層の点Ｐは軸直角方向に４０μｍ（＝１０８ｔａｎ２０．４゜）隔てることになる。つまりＭ点は受光層の端であることになる。
【００５１】
つまりＬＮ、ＪＨを通る光はＭ点、Ｋ点よりさらに内側に屈折して受光層の両端の光線不足の部分の光パワーを増強する。まことに優れた配分になる。これは実施例１よりも受光層の広い例である。光パワーの分布は図７のようになる。中平周凸レンズの製造方法は図９で説明した通りである。
【実施例３】
【００５２】
［実施例３：ＰＤモジュールへの応用］ＰＤチップ５０は裏面入射型のチップで図８に示すような構造を持つ。ｐ側電極の方が下にくるようにサブマウント５１を介してステム５２に固着される。ステム５２は円形のパッケージであり、下向きにリードピン５３、５４、５５などを持つ。サブマウント５１は両面にメタライズしたセラミックの板である。ｐ側電極をステム５２から絶縁する必要があるので、サブマウント５１を使う。受光素子チップ５０は先述のように裏面入射型であり、入射部分に中平周凸レンズ３３が形成されている。中央の平坦部３４と周辺の凸球面３５を含む。チップ５０の上にはキャップ５６が設けられる。キャップは真ん中に窓があり、ガラス窓５７が固定される。さらにホルダー５８がステム５２の上に固定される。
【００５３】
ホルダー５８は、フェルール５９を受光素子チップの直上に支持するものである。フェルール５９はシングルモードファイバ６０の先端を支持している。ファイバ６０の先端は斜めに研磨されている。ｐ電極はワイヤ６２によってリードピン５３に接続される。ｎ電極は、ワイヤ６１によってリードピン５５に製造される。ファイバに光を通し、ＰＤに光を入射させ、ＰＤの光電流を測定し、光量が最大になるように軸垂直方向にホルダー５８を動かして調芯する。さらにフェルール５９を軸方向に動かして最適の位置で固定する。これによって、図７のような矩形の光パワー分布を得ることができるから、歪みの小さい受光素子モジュールを得ることができる。軸方向の最適の位置というのは図１０に関連して説明したように開口角の広がりの周辺部が中平周凸レンズの周辺に対応し、θ1/2 に含まれる光が平坦部３４と曲面部３５の境界に対応するような位置である。光量が最大ということとはまた異なる。
【００５４】
［ＰＤチップの製造方法］図８に示す本発明の実施例にかかる受光素子チップの製造方法をつぎに説明する。ｎ型ＩｎＰウエハ−を用意する。その上にｎ型ＩｎＰバッファ層３、ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層（受光層）４、ｎ型ＩｎＰ窓層５をエピタキシャル成長させる。ｎ型ＩｎＰ基板の裏面に、図９に示した方法によって中平周凸レンズ３３を作る。レンズにはＳｉＮの反射防止膜が形成される。ｎ型窓層の中央部にはＺｎ拡散によってｐ領域６を作る。これが作るｐｎ接合が受光層になる。受光層の直径は８０μｍ（実施例２）と５０μｍ（実施例１）である。このｐ領域６のすぐ上にｐ側電極３１をつける。また周辺部にはやはりＺｎ拡散によるｐ層３０が形成されている。これは漏れ光を吸収しｐ電極３１に行かないようにする作用がある。
【００５５】
入射光は基板裏面中央のレンズ３３を通り基板側から入射するので、基板側のｎ−電極３２はリング状の電極とする。電極によって囲まれている中央部から光が入り、バッファ層３を通過し、ＩｎＧａＡｓ受光層に至る。ここで電子正孔対を発生させて消滅する。電子はｎ電極３２に向かって走り、正孔はｐ電極を目指して走行する。電極間に光電流が流れる。これによって光電変換される。
【００５６】
レンズ３３によって光を絞るから、周辺部に漏れる光は本来存在しないはずであるが、もしも漏れたとしても漏れ光吸収用のｐ領域３０で電子正孔を生ずるからこれはｐｎ接合を越えることができず、光電流にならない。これは特許文献２によって本出願人が提案したものである。ｐ側から光が入射する受光素子において特に必要である。本発明は裏面入射であってしかもレンズ付きであるから漏れ光のようなものはもともと殆どないが、たとえあってもその影響を完全に遮断することができるのである。
【００５７】
このような方法によって作製したＰＤチップをパッケージに実装した。そして光ファイバを取り付け図１１の受光素子モジュールとした。そして受光素子の電極間に１５Ｖの逆バイアスを加えた。０ｄＢｍの光を光ファイバから入れた時の二次歪みＩＭＤ2 を測定した。二次歪みは−８５ｄＢであった。さらに受光素子の中央部での光パワー密度を測定した。ガウシアンのように中央部に局在する光でない（図８）の密度は低くて、−１２ｄＢである。これを図５（ｂ）のグラフに書き込むと図１２のようになる。本発明の受光素子の場合、従来例で最も光量が小さいケースＥよりもまだ密度が低く、ＩＭＤ2
も小さい。
【実施例４】
【００５８】
［実施例４：レンズを付加する場合 ］
本発明のＰＤは基板側に作りつけのメサ型レンズをもつから集光性はあるのであるが、それだけでは光ファイバと受光素子チップの距離が厳密に決まってしまう。光ファイバとレンズの距離をもっと広くとりたいという要望がある場合、レンズを光ファイバと受光素子の間に挿入する。レンズによって集光できるから光ファイバをより遠くへ変位させることができる。図１３はこのようなレンズを設けた受光素子モジュールの構成を示している。収差のないレンズを設ける場合は計算は単純である。θ1/2 の光が中平周凸レンズの平面曲面の境界に当たるように決めればよい。
【００５９】
しかし球レンズのように収差の大きいレンズの場合は少し注意を要する。球レンズは遠軸光線を強く屈折し、近軸光を弱く屈折するから受光素子チップ面での光線が図１０のようにならない。
【実施例５】
【００６０】
［実施例５：レンズ境界をθ1/2 からはずす場合］
これまでに述べた実施例では、中平周凸レンズの平面曲面の境界をθ1/2 に合致させていたがそれに限らない。図７のように光パワー分布が矩形分布するようにさせれば良いのであるから、ビームがガウシアンであっても境界とθ1/2
を一致させなくても矩形分布を得ることができる場合もある。ビームがガウシアンでないと言うこともよくあるが、その場合はビームの光パワーの分布によって光の広がりとレンズの境界の対応を最適化すればよい。例えば、中心でも光強度が大きくしかも周辺部まで光パワーがすそを引くような光源の場合は、レンズの平坦部を狭くし、球面部を広くするのがよい。
【実施例６】
【００６１】
［実施例６：後付けレンズ］
以上に述べた実施例においてはレンズは作りつけになっていた。これだと材質は基板と同じものになる。図１４のように独立の中平周凸レンズを別の材料によって作製して、これをチップの基板裏面にはりつけるようにしても良い。そのようにすると材料の制限から免れる。材料を選ぶことができれば屈折率もある程度自由に選ぶことができるので直径、曲率、境界線などの設計の自由度が広がる。例えばガラス、Ｓｉなどをレンズの材料として用いることができる。レンズは透明の樹脂によって基板裏面に張り付ける。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】従来例にかかるＰＩＮフォトダイオードチップの断面図。
【００６３】
【図２】従来例にかかる受光素子モジュールの斜視図。
【００６４】
【図３】従来例にかかる作りつけレンズを有する受光素子チップに光ファイバからの光が入射する際の光線の屈折を示す説明図。
【００６５】
【図４】現在得られるレ−ザの典型的な例として、ガウシアンビームを発生するレ−ザの発生するビームの角度分布を示すグラフ。
【００６６】
【図５】レ−ザの光軸上の５点Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅにおける軸垂直方向の光強度分布とその点に受光素子を設定した時の二次歪みＩＭＤ2 を示すグラフ。（ａ）は５点での軸垂直方向の光強度分布を示し、（ｂ）はその５点におけるＩＭＤ2を示す。
【００６７】
【図６】本発明の受光素子に光ファイバからの光が入射するときの光線の屈折を示す光線説明図。
【００６８】
【図７】中平周凸レンズをもつ本発明の受光素子に、光ファイバからの光を入射させるときに受光層においてどのような光密度分布になるかを示すグラフ。ガウシアンビームが矩形分布のビームに整形される。
【００６９】
【図８】本発明の実施例にかかる基板面入射型で基板側に中平周凸レンズを有する受光素子チップの断面図。
【００７０】
【図９】本発明の受光素子において基板裏面側に中平周凸レンズを作製する手法を説明する図。（ａ）は基板面側にレジストを球の一部をなすような厚み分布をもって塗布しイオンビ−ムを照射してエッチングしている状態を示す。（ｂ）はイオンビ−ムエッチングを途中で中止するとレジストの一部が中央部に残りその周辺部は球面上にエッチングされた状態になることを示す図。
【００７１】
【図１０】８０μｍの直径の受光層をもつ本発明の実施例にかかる受光素子の光線の屈折を示す断面図。
【００７２】
【図１１】本発明の実施例にかかる受光素子モジュールの断面図。
【００７３】
【図１２】受光層の中心における光密度と二次歪みＩＭＤ2 の相関を示すグラフに従来例の結果に並べて本発明の実施例の結果を記入したグラフ。
【００７４】
【図１３】本発明の実施例にかかる作りつけ中平周凸レンズを有する受光素子と光ファイバの間に別体のレンズを追加して光ファイバと受光素子の間の距離を調整可能にした例を示す受光素子モジュールの構成図。
【００７５】
【図１４】本発明の別の実施例にかかる後付け中平周凸レンズを設けた受光素子チップの側面図。
【００７６】
【図１５】本発明の中平周凸レンズの作用を説明するための幾何学的な光線図。
【００７７】
【図１６】中平周凸レンズによって矯正されるビ−ムの前後の強度分布を示す図。
【符号の説明】
【００７８】
１ 受光素子チップ
２ ｎ型ＩｎＰ基板
３ ｎ型ＩｎＰバッファ層
４ ｎ型ＩｎＧａＡｓ光吸収層
５ ｎ型ＩｎＰ窓層
６ ｐ型領域
７ ｐｎ接合
８ パッシベ−ション膜
９ 反射防止膜
１０ ｐ電極
１１ ｎ電極
１２ パッケージ
１３ サブマウント
１４ シングルモードファイバ
１５ アノードピン
１６ カソードピン
１７ ケースピン
１８ スリーブ
１９ フェルールホルダー
２０ フェルール
２１ ベンドリミッタ
２２ 球レンズ付キャップ
２３ 球レンズ
３０ 漏れ光吸収用ｐ型層
３１ ｐ側電極
３２ ｎ側電極
３３ 中平周凸レンズ
３４ 中央平坦部
３５ 周辺球面部
３６ 入射光
３８ レンズ形成用レジスト
３９ イオンビーム
４０ レジストによって被覆された基板部分
４１ レジストによって被覆されない基板部分
４２ レジストの周辺境界部
５０ ＰＤチップ
５１ サブマウント
５２ ステム
５３ リードピン
５４ リードピン
５５ リードピン
５６ キャップ
５７ ガラス窓
５８ フェルールホルダー
５９ フェルール
６０ シングルモードファイバ
【図１６】
2006295222.tif 000003
【図１】
2006295222.tif 000004
【図２】
2006295222.tif 000005
【図３】
2006295222.tif 000006
【図４】
2006295222.tif 000007
【図５】
2006295222.tif 000008
【図６】
2006295222.tif 000009
【図７】
2006295222.tif 000010
【図８】
2006295222.tif 000011
【図９】
2006295222.tif 000012
【図１０】
2006295222.tif 000013
【図１１】
2006295222.tif 000014
【図１２】
2006295222.tif 000015
【図１３】
2006295222.tif 000016
【図１４】
2006295222.tif 000017
【図１５】
2006295222.tif 000018