(57)【要約】  【課題】  反射光を従来のものよりも低減することができる光受信モジュールを提供すること。  【解決手段】  光受信モジュール１０は、入射された光を曲率半径Ｒで形成された光出射端面１１ａから出射する先球ファイバ１１と、受光した光を電流信号に変換する光吸収層を含み、所定の角度で傾けられた受光素子１２と、受光素子１２を実装するサブマウント１３と、先球ファイバ１１を固定するファイバ固定部１４と、受光素子１２から出力される電流信号を電圧信号に変換して増幅するプリアンプＩＣ１５と、電気信号を伝送するボンディングワイヤ１６と、各部品を封止するパッケージ１７と、電気信号を出力する端子１８とを備える。【選択図】  図１
2006126275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ（１１）と、前記光ファイバの光出射端面（１１ａ）から所定の間隔をおいて対向配置され、光を電気信号に変換する受光素子（１２）とを備える光受信モジュールにおいて、
前記光ファイバは、前記光出射端面が所定の曲率半径を有する球面状に形成された先球ファイバで、前記先球ファイバから出射される光のビームウェストの位置が前記受光素子の受光部（１２ｂ）よりも手前側にあり、かつ前記受光素子の光入射面（１２ｃ）が前記先球ファイバから出射される光の出射方向に対して所定の角度で傾けられていることを特徴とする光受信モジュール。
【請求項２】
前記受光素子が、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）であることを特徴とする請求項１記載の光受信モジュール。
【請求項３】
前記受光素子が裏面入射型であることを特徴とする請求項１乃至２記載の光受信モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号を受信して電気信号に変換する光受信モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の光受信モジュールは、平面切断された端面から光信号を出射する短尺光ファイバと、出射された光を受光する受光素子とを備え、また受光素子は広がった光ビームを受光するのに十分な広い受光部を有している（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００１−３３６６７号公報（第３−４頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、このような従来の光受信モジュールでは、受光素子で反射した戻り光の光軸と、短尺光ファイバから出射される光信号の光軸とが一致しているため、反射光が短尺光ファイバと結合して光信号の送信側に戻ってしまい、反射光が送信側機器のレーザダイオードや光増幅器の動作状態を不安定にさせるという問題があった。
【０００４】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、反射光を従来のものよりも低減することができる光受信モジュールを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の請求項１記載の光受信モジュールは、光ファイバと、前記光ファイバの光出射端面から所定の間隔をおいて対向配置され、光を電気信号に変換する受光素子とを備える光受信モジュールにおいて、前記光ファイバは、前記光出射端面が所定の曲率半径を有する球面状に形成された先球ファイバで、前記先球ファイバから出射される光のビームウェストの位置が前記受光素子の受光部よりも手前側にあり、かつ前記受光素子の光入射面が前記先球ファイバから出射される光の出射方向に対して所定の角度で傾けられていることを特徴とする構成を有している。
【０００６】
また、本発明の請求項２記載の光受信モジュールは、請求項１記載の光受信モジュールにおいて、前記受光素子が、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）であることを特徴とする構成を有している。
【０００７】
さらに、本発明の請求項３記載の光受信モジュールは、請求項１乃至２記載の光受信モジュールにおいて、前記受光素子が裏面入射型であることを特徴とする構成を有している。
【０００８】
これらの構成により、本発明の光受信モジュールは、受光素子に入射される光ビームの広がり半径を微小化して受光部での光を効率よく集光し、光入射面は、短尺光ファイバに対して所定の角度で傾けられるので、光信号の送信側機器のレーザダイオードや光増幅器の動作状態の安定化に影響を与えずに、受光素子で反射される反射光と短尺光ファイバとの結合効率を低減し、反射光を従来のものよりも低減することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、反射光を従来のものよりも低減することができるという効果を有する光受信モジュールを提供することができるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１１】
まず、本発明の実施の形態の受光モジュールの構成について図１及び図２を用いて説明する。図１は、本実施の形態の光受信モジュールの内部構造の概要を示す平面図、図２は、光受信モジュールの主要部の構成及び位置関係の説明図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施の形態の光受信モジュール１０は、曲率半径Ｒで形成された光出射端面１１ａから光を出射する光ファイバ（以下「先球ファイバ」という。）１１と、受光した光を電流信号に変換する光吸収層を有し、所定の角度で傾けられた受光素子１２と、受光素子１２を実装するサブマウント１３と、先球ファイバ１１を固定するファイバ固定部１４と、受光素子１２から出力される電流信号を電圧信号に変換するプリアンプＩＣ１５と、電気信号を伝送するボンディングワイヤ１６と、各部品を封止するパッケージ１７と、電気信号を出力する端子１８とを備えている。
【００１３】
先球ファイバ１１は、ガラスやプラスチック等の材料で形成され、入射された光信号を伝送して光出射端面１１ａから受光素子１２に出射するようになっている。
【００１４】
受光素子１２は、例えば、複数の半導体層が台錐形状に積層されたメサ型のアバランシェフォトダイオード（以下「ＡＰＤ」という。）で構成されている。
【００１５】
サブマウント１３は、例えば、配線パターンを有するアルミナ基板で構成され、受光素子１２がフリップチップ実装できるようになっている。具体的には、サブマウント１３は、受光素子１２とのボンディング実装の際に生じるストレスの緩和及び実装時の強度確保のため、例えばＡｕ／Ｓｎで構成されたバンプを有している。このバンプは、後述のｎ電極及びｐ電極に設けられ、受光素子１２に所定の電圧を印加すると共に、受光素子１２からの信号を授受するようになっている。
【００１６】
なお、受光素子１２からサブマウント１３までの接続、及び、サブマウント１３からプリアンプＩＣ１５までのボンディングワイヤ１６による接続は、寄生インダクタンスや浮遊容量が最小になるよう設計されている。
【００１７】
ファイバ固定部１４は、パッケージ１７に固着されるようになっており、例えば、先球ファイバ１１を保持し、固定する溝を有している。
【００１８】
プリアンプＩＣ１５は、受光素子１２から出力される電流信号を電圧変換して増幅し、電圧信号として出力するトランスインピーダンスアンプ（以下「ＴＩＡ」という。）を備えている。
【００１９】
先球ファイバ１１及び受光素子１２は、図２に示すような構成及び位置関係を有している。すなわち、先球ファイバ１１は、光信号を伝送する半径ｗ０のコア部１１ｂと、コア部１１ｂの外周に設けられたクラッド部１１ｃとを備え、コア部１１ｂの光出射端面１１ａは、例えば研磨により形成された曲率半径Ｒの球面で構成されている。
【００２０】
また、受光素子１２は、先球ファイバ１１から出射される光の光軸と垂直な面に対して角度θで傾けられ、厚さｄ２の半導体基板１２ａと、半導体基板１２ａ上に形成された受光部１２ｂとを備えている。半導体基板１２ａは、先球ファイバ１１からの光信号が入射される光入射面１２ｃと、光入射面１２ｃと対向する受光部形成面１２ｄとを有している。
【００２１】
なお、図示を省略したが、受光素子１２は、メサ型のＡＰＤで構成される場合、例えば、ｎ＋型ＩｎＰからなる半導体基板１２ａの受光部形成面１２ｄ上に、ｎ＋型ＩｎＰからなるバッファ層と、ｉ型ＩｎＧａＡｓからなり、入射した光を吸収してキャリアとしての電子と正孔との対を生成する光吸収層と、ｎ＋型ＩｎＰからなる電界緩和層と、ｐ−型ＩｎＰからなる増倍層と、ｐ＋型ＩｎＧａＡｓからなるコンタクト層とがエピタキシャル成長によりメサ部内に積層されて構成される。また、受光部形成面１２ｄ上にｎ電極が設けられ、コンタクト層に接してｐ電極が設けられている。
【００２２】
また、図２において、２本の実線の矢印は、受光素子１２に入射される入射光を示し、２本の破線の矢印は、受光素子１２からの反射光を示している。
【００２３】
ここで、反射光と先球ファイバ１１との結合を表す結合効率について説明する。この結合効率が低いほど先球ファイバ１１に入射される反射光が少なくなる。
【００２４】
図２において、先球ファイバ１１の光出射端面１１ａから出射された光ビームが最小のビームスポット半径ｗ１となるビームウェスト位置（Ａ面）までをｄ０、ビームウェスト位置から受光素子１２の光入射面１２ｃまでの距離をｄ１、光出射端面１１ａから光入射面１２ｃまでの距離をｚとする。また、ビームウェスト位置における入射光のビームスポット半径をｗ１、光入射面１２ｃにおける反射光のビームスポット半径をｗ２、入射光の光軸に対する反射光のビームスポット半径を距離ｚの関数で表したｗ２（ｚ）とする。また、ビームウェスト位置における入射光の中心から光入射面１２ｃにおける反射光のビームスポット中心までの距離をｘ０とすると結合効率ηは次式で表される。
【００２５】
【数１】
2006126275.tif 000003
【００２６】
ここで、κ及びｗ２（ｄ１）は下記の式で表される。
【００２７】
【数２】
2006126275.tif 000004
【００２８】
【数３】
2006126275.tif 000005
【００２９】
受光素子１２の傾き角度θと結合効率ηとの関係を式（１）によって算出した一例を図３に示す。図３示された計算結果は、図２における先球ファイバ１１の光出射端面１１ａの曲率半径Ｒを２０μｍ、コア部１１ｂの半径ｗ０を４μｍとし、距離ｚをパラメータとしている。
【００３０】
図３に示すように、距離ｚが大きくなるほど、また、角度θが大きくなるほど結合効率ηは小さくなっている。例えば、角度θが５度の場合、距離ｚが２０μｍと５０μｍとでは結合効率ηに約３ｄＢの差がある。また、距離ｚが２０μｍの場合、角度θが０度と５度とでは結合効率ηに３ｄＢの差がある。
【００３１】
すなわち、距離ｚ及び角度θの少なくとも一方を増大させることによって、受光素子１２からの反射光を低減することができる。
【００３２】
しかしながら、光受信モジュール１０を高速光通信に対応させる場合、距離ｚの設定値は制限される。例えば、１０ギガビット／秒の光通信速度においては、高域遮断周波数の制約により受光領域を低容量化する必要があり、このとき検討結果によれば、受光素子１２の受光部１２ｂは一般的な受光感度を有する受光素子の空乏層の伸び（長さ）を考慮すると半径１０μｍ程度の値が得られるため、受光部１２ｂに入射する光信号のビームスポット半径も１０μｍ程度にしなければならない。この光ビームスポット半径を１０μｍ程度にするためには、距離ｚを２０μｍ程度にすることが好ましいので、距離ｚを３０μｍ以上に設定して結合効率ηを低減することはできない。したがって、距離ｚを２０μｍ程度に設定し、角度θを増大させて反射光を低減するのが好ましい。
【００３３】
次に、距離ｚを２０μｍ程度に設定した場合、本実施の形態の先球ファイバ１１及び従来の平面切断されたフラットファイバに係る結合効率ηについて図４を用いて説明する。
【００３４】
図４は、本実施の形態の先球ファイバ１１と反射光との結合効率η（実線）と、従来のフラットファイバと反射光との結合効率η（破線）とを比較したグラフであり、図２において、ｗ０＝４μｍ、ｄ２＝１００μｍ、ｚ＝２０μｍとしたときの計算結果である。
【００３５】
図４に示すように、角度θが０度から５度までの範囲においては、先球ファイバ１１による結合効率ηが従来のフラットファイバによるものよりも小さい。特に、角度θが２度前後より小さい場合は、約１．５ｄＢも結合効率ηに差がある。すなわち、先球ファイバ１１によって受光素子１２に光を入射する方が従来のフラットファイバによるものよりも反射光が少ないことを示している。
【００３６】
従来のフラットファイバで構成された光受信モジュールは、角度θは０度なので受光素子からの反射光が発生し、フラットファイバと結合する。反射光があまり大きすぎると、光信号の送信側機器の動作状態を不安定化させるので、反射光減衰量を規格化して規格値以下になるよう光受信モジュールを設計する必要がある。
【００３７】
しかしながら、従来のフラットファイバで構成された光受信モジュールは、例えば、反射光減衰量−２７ｄＢ以下の規格を満足するために、受光素子からの光がフラットファイバに戻らないよう反射膜を設けたり、反射光を散乱させたりする対策を必要とするのでコストアップになっていた。
【００３８】
一方、本実施の形態の先球ファイバ１１で構成された光受信モジュール１０は、角度θが０度の場合でも、結合効率ηが従来のものよりも約１．５ｄＢも低減されるので、前述の−２７ｄＢ以下の規格に対しても安定して満足することができ、従来のような対策を必要としないのでコストを削減することもできる。
【００３９】
さらに、本実施の形態の先球ファイバ１１で構成された光受信モジュール１０は、角度θを大きくすることによって結合効率ηを低減し、反射光の影響をさらに抑えることができる。例えば、角度θを５度にすれば、角度θが０度の場合よりも結合効率ηを約２．５ｄＢも低減することができる。
【００４０】
図４に示されたグラフによれば、従来のフラットファイバで構成された光受信モジュールにおいても、角度θを大きくすることによって結合効率ηが低下しており、角度θを約５度にすれば本発明の光受信モジュール１０の結合効率と同等になっているが、実装上の問題があるため実現できない。この理由について図５を用いて具体的に説明する。
【００４１】
図５（ａ）は、本実施の形態の先球ファイバ１１と受光素子１２との位置関係を示し、図５（ｂ）は、先球ファイバ１１に換えて従来のフラットファイバ１を使用したときの受光素子１２との位置関係を示す図である。
【００４２】
図５（ａ）に示された寸法Ｌ１は、先球ファイバ１１を受光素子１２の中心位置に対向させた位置から先球ファイバ１１が受光素子１２に接触するまでの寸法を表している。同様に、図５（ｂ）に示された寸法Ｌ２は、フラットファイバ１を受光素子１２の中心位置に対向させた位置からフラットファイバ１が受光素子１２に接触するまでの寸法を表している。
【００４３】
図５において、受光素子１２の寸法Ｐを７００μｍ、角度θを５度、距離ｚを２０μｍ、先球ファイバ１１及びフラットファイバ１の直径を１２５μｍとした場合、Ｌ１は約２２０μｍであるのに対し、Ｌ２は約１６０μｍである。受光素子１２と先球ファイバ１１又はフラットファイバ１とを位置出しする場合、受光素子１２を予め固定した後、先球ファイバ１１又はフラットファイバ１をＸＹ方向に移動し、受光素子１２からの出力レベルが所定値以上になるように調整される。なお、Ｘ軸はファイバ固定部１４の上面に接してＺ軸と直交する方向を表し、Ｙ軸はＸ軸と直交する紙面に向かう方向、Ｚ軸は先球ファイバ１１及びフラットファイバ１の長手方向を表す。
【００４４】
ここで、Ｙ軸方向に関しては、受光素子１２の受光部１２ｂの位置を粗く探し出した後に細かく調整される（この調整を以下「調芯」という。）。調芯の際には、受光素子１２の中心位置を基準として±１００μｍ程度のストロークが必要である。さらに、Ｘ方向の調整マージン、部品や組み込みのばらつき等を考慮すると受光素子１２の中心位置を基準として±１５０〜１６０μｍ程度のストロークが必要となる。
【００４５】
したがって、従来のフラットファイバ１による構成では、Ｌ２は約１６０μｍであり、調芯時にフラットファイバ１が受光素子１２に衝突して受光素子１２を破壊する可能性が非常に大きいので、角度θを５度にすることはできない。一方、先球ファイバ１１による構成では、Ｌ１は約２２０μｍであり、調芯時に先球ファイバ１１が受光素子１２に衝突するおそれはほとんどない。
【００４６】
以上のように、本実施の形態の光受信モジュール１０は、先球ファイバ１１と角度θで傾けられた受光素子１２とを組み合わせる構成により、反射光を従来のものよりも低減することができる。なお、角度θを大きくすればするほど反射光を低減することができるが、調芯時の作業性を考慮して、角度θを５度以下、距離ｚを２０μｍ程度に設定するのが好ましい。
【００４７】
次に、本実施の形態の光受信モジュール１０の製造方法について図１及び図２を用いて説明する。
【００４８】
まず、プリアンプＩＣ１５がパッケージ１７の所定位置に固着され、プリアンプＩＣ１５及びパッケージ１７にそれぞれ設けられた電極がボンディングワイヤ１６によって電気的に接続される。次いで、受光素子１２が実装されたサブマウント１３が、例えばパッケージ１７に設けられた位置出し部材（図示せず）にセットされ、図２に示された角度θが所定の値になるよう受光素子１２が固着される。受光素子１２は、サブマウント１３の所定の位置に予め位置決めされ、例えば半田付けによって固着されている。
【００４９】
さらに、プリアンプＩＣ１５及びサブマウント１３に設けられた電極がボンディングワイヤ１６によって電気的に接続される。
【００５０】
次いで、先球ファイバ１１が、パッケージ１７に固着されたファイバ固定部１４上において位置出しされて固着される。先球ファイバ１１は、Ｘ軸及びＹ軸方向に移動するＸＹ位置調整治具によって保持され、受光部１２ｂに対する光軸が調整されるようになっている。なお、Ｘ軸はファイバ固定部１４の上面に接してＺ軸と直交する方向を表し、Ｙ軸はＸ軸と直交する紙面に向かう方向、Ｚ軸は先球ファイバ１１及びフラットファイバ１の長手方向を表す。
【００５１】
続いて、光受信モジュール１０を駆動する電源装置及び光受信モジュール１０の出力をモニタする測定装置が端子１８に接続され、先球ファイバ１１に光が入射される。次いで、ＸＹ位置調整治具によって、先球ファイバ１１が位置調整されてファイバ固定部１４に固着される。
【００５２】
具体的には、Ｚ軸方向に関しては、光出射端面１１ａの頂点から光入射面１２ｃまでの距離ｚが約２０μｍに設定され、Ｘ軸及びＹ軸方向に関しては、受光素子１２からの出力レベルが所定値になる位置に設定され、固着される。そして、上面開口部が封止用カバー（図示せず）によって封止固定される。
【００５３】
次に、本実施の形態の光受信モジュール１０の動作について図１及び図２を用いて説明する。
【００５４】
まず、先球ファイバ１１に入射された光信号は、コア部１１ｂを伝送して光出射端面１１ａに達し、光出射端面１１ａから出射される。
【００５５】
光出射端面１１ａから出射された光ビームは、出射されてからビーム径が徐々に小さくなり、ビームウェスト位置において最小のビームスポット半径ｗ１となる。ビームウェスト位置からはビーム径は徐々に大きくなって受光素子１２の光入射面１２ｃに入射される。そして、スネルの法則を満たす角度で半導体基板１２ａ内を広がりながら受光部１２ｂに達する。
【００５６】
受光部１２ｂの光吸収層で吸収されなかった一部の光は反射光となり、半導体基板１２ａ内を透過して光入射面１２ｃに達し、ビームスポット半径ｗ２の光ビームとなり、この光ビームの一部は先球ファイバ１１と結合する。
【００５７】
一方、入射光は、受光部１２ｂ内の光吸収層で吸収されることにより、電子と正孔との対が生成され、それぞれ、サブマウント１３の電極に移動する。具体的には、電子は、受光素子１２のｎ電極を介してサブマウント１３の電極に移動し、正孔は、受光素子１２の増倍層に移動して増倍されてｐ電極に移動した後、サブマウント１３の電極に移動する。
【００５８】
次いで、サブマウント１３の電極に移動したメインキャリアの正孔によって、受光素子１２から電流信号が出力されプリアンプＩＣ１５に入力される。そして、プリアンプＩＣ１５によって、受光素子１２から出力される電流信号が電圧変換されて増幅され、ボンディングワイヤ１６を介して端子１８から出力される。
【００５９】
以上のように、本実施の形態の光受信モジュール１０によれば、曲率半径Ｒを有する先球ファイバ１１と角度θで傾けられた受光素子１２とにより、受光素子１２からの反射光と先球ファイバ１１との結合効率を低下させる構成としたので、光信号の送信側機器のレーザダイオードや光増幅器の動作状態の安定化に影響を与えずに、反射光を従来のものよりも低減することができる。
【００６０】
なお、本実施の形態において、受光素子１２がメサ型のＡＰＤで構成される例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば受光素子１２がプレーナ型のｐｉｎ型半導体受光素子で構成される場合でも同様の効果が得られる。
【００６１】
また、本実施の形態において、光信号が入射される光入射面１２ｃと対向する受光部形成面１２ｄに受光部１２ｂが設けられた裏面入射型の受光素子を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば受光部１２ｂが光入射面１２ｃに設けられたものであっても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
以上のように、本発明に係る光受信モジュールは、反射光を従来のものよりも低減することができるという効果を有し、光信号を受信して電気信号に変換する光受信モジュール等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の実施の形態に係る光受信モジュールの内部構造の概要を示す平面図
【図２】本発明の実施の形態に係る光受信モジュールの主要部の構成及び位置関係の説明図
【図３】本発明の実施の形態に係る光受信モジュールにおける反射光と先球ファイバとの結合効率を示す図
【図４】本発明の実施の形態に係る光受信モジュールによる結合効率と従来のフラットファイバによるものとの比較図
【図５】本発明の実施の形態に係る光受信モジュールによる調芯時のマージンと従来のフラットファイバによるものとの比較図
【符号の説明】
【００６４】
１  従来のフラットファイバ
１０  光受信モジュール
１１  先球ファイバ
１１ａ  光出射端面
１１ｂ  コア部
１１ｃ  クラッド部
１２  受光素子
１２ａ  半導体基板
１２ｂ  受光部
１２ｃ  光入射面
１２ｄ  受光部形成面
１３  サブマウント
１４  ファイバ固定部
１５  プリアンプＩＣ
１６  ボンディングワイヤ
１７  パッケージ
１８  端子
【図１】
2006126275.tif 000006
【図２】
2006126275.tif 000007
【図３】
2006126275.tif 000008
【図４】
2006126275.tif 000009
【図５】
2006126275.tif 000010