(57)【要約】  【課題】  光通信の高速化に対応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む受光素子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
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【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）よりも手前側であ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】
光受信モジュールにおける受光素子の受光部エリアは、光通信速度の高速化とともに小さくなり、広がった光ビームでは効率良く受光できないため、高速光通信に必要な特性を十分に満足できないという問題があった。
【０００４】
ギガビット／秒を超える高速光通信においては、高域遮断周波数の制約により受光領域を低容量化する、すなわち受光部面積を小さくする必要がある。例えば、光通信速度が１０ギガビット／秒の場合では、受光部の半径は１０μｍ程度であるため、光ビームの広がり半径も１０μｍ以下に抑えなければならなく、従来の光受信モジュールではレンズを用いることで光ビームの広がりを抑制し、１０ギガビット／秒を超える高速光通信に対応していた。
【０００５】
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、レンズを用いることなく光信号を受光素子に効率よく集光することができ、光通信の高速化に対応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】
【０００６】
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であることを特徴とする構成を有している。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
これらの構成により、本発明の光受信モジュールは、所定の曲率半径を有する短尺光ファイバから光を出射し、受光素子の受光部における光ビームの広がり半径を微小化するので、光信号を受光素子に効率よく集光することができ、光通信の高速化に対応することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、光信号を受光素子に効率よく集光することができ、光通信の高速化に対応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】
【００１１】
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。
【００１２】
まず、本発明の実施の形態の光受信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。
【００１３】
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含む受光素子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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
また、受光素子１２は、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。
【００２２】
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。
【００２３】
図２において、先球ファイバ１１の光出射端面１１ａの頂点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とする。また、光出射端面１１ａの頂点から光入射面１２ｃまでの距離をｚとする。
【００２４】
また、ビームウェスト位置におけるビームスポット半径をｗ１、受光部１２ｂにおけるビームスポット半径をｗ２とする。このビームスポット半径ｗ２を、例えば１０ギガビット／秒の光通信速度に対応させる場合、１０μｍ程度以下に設定する。
【００２５】
ここで、光受信モジュールの基本回路構成について図３を用いて説明する。図３は、ＡＰＤ及びＴＩＡの等価回路を示したものである。
【００２６】
図３に示すように、ＡＰＤは、電流源と静電容量及び内部抵抗Ｒ１との並列の等価回路で表すことができる。静電容量としては、サブマウント１３に実装された際に発生する寄生容量Ｃ０と、受光部１２ｂの構造に起因する素子容量Ｃ１とがある。
【００２７】
また、ＴＩＡは、帰還抵抗Ｒｆを有する増幅器で構成され、帰還抵抗Ｒｆの値によって増幅器の増幅度が調整されるようになっている。ＴＩＡの入力インピーダンスＲ０は帰還抵抗Ｒｆと比例関係にある。
【００２８】
光受信モジュール１０を高速光通信に対応させるためには、光受信モジュール１０の周波数特性及び信号対雑音比（以下「ＳＮ比」という。）を向上させる必要がある。
【００２９】
まず、光受信モジュール１０の周波数特性は、前述の寄生容量Ｃ０、素子容量Ｃ１、入力インピーダンスＲ０及び内部抵抗Ｒ１で決定される。この周波数特性を決定する高域遮断周波数ｆ３ｄＢは次式で表される。
【００３０】
ｆ３ｄＢ＝１／（２π（Ｃ０＋Ｃ１）（Ｒ０＋Ｒ１））                      （１）
一方、光受信モジュール１０のＳＮ比を向上させるためには、ＴＩＡ内の帰還抵抗Ｒｆを大きくする必要がある。
【００３１】
しかしながら、帰還抵抗Ｒｆは、入力インピーダンスＲ０と比例関係にあり、帰還抵抗Ｒｆを大きくしてＳＮ比を上げようとすると入力インピーダンスＲ０が大きくなって高域遮断周波数ｆ３ｄＢが低下してしまうので、帰還抵抗Ｒｆを必要以上に大きくすることは困難である。
【００３２】
そこで、高域遮断周波数ｆ３ｄＢを高くするには、寄生容量Ｃ０及び素子容量Ｃ１を低減しなければならない。寄生容量Ｃ０は、サブマウント１３のパターン設計や実装上のばらつき等を制御することにより低減することができるので、ＡＰＤの構造に起因する素子容量Ｃ１を低減する必要がある。すなわち、受光部１２ｂの受光面積を小さくして素子容量Ｃ１を低減することによって、光受信モジュール１０を高速光通信に対応させることができる。
【００３３】
例えば、１０ギガビット／秒の光通信速度に対応させる場合、検討結果によれば、受光部１２ｂの素子容量Ｃ１を２５０ｆＦ程度にする必要があり、このときの受光部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。したがって、受光部１２ｂに入射する光信号のビームスポット半径ｗ２を１０μｍ程度以下にしなければならない。
【００３４】
次に、ビームスポット半径ｗ２を１０μｍ程度以下にするため、光出射端面１１ａの曲率半径Ｒ及び距離ｚの設定について説明する。
【００３５】
図４は、光出射端面１１ａの曲率半径Ｒと受光部１２ｂにおけるビームスポット半径ｗ２との関係を示すグラフであり、図２において、ｗ０＝４μｍ、ｄ２＝１００μｍとし、距離ｚをパラメータとしたときの計算結果である。
【００３６】
図４に示すように、ビームスポット半径ｗ２を１０μｍ以下にするには、距離ｚを４０μｍ以下にし、光出射端面１１ａの曲率半径Ｒを約１５μｍ以上、好ましくは２０μｍ以上に設定するのが望ましい。
【００３７】
また、図５は、距離ｚとビームスポット半径ｗ２との関係について、本発明の先球ファイバ１１と従来の平面切断されたフラットファイバとを比較したグラフであり、図２において、ｗ０＝４μｍ、ｄ２＝１００μｍとしたときの計算結果である。
【００３８】
図５に示すように、光出射端面１１ａの曲率半径Ｒを２０μｍに設定した場合、距離ｚが小さくなるに従って、本発明の先球ファイバ１１によるビームスポット半径ｗ２の方が従来のフラットファイバによるものよりも小さくなる傾向が強い。ビームスポット半径ｗ２を１０μｍ程度以下にするには、距離ｚを０〜４５μｍ程度の範囲内に設定すればよく、部品のばらつきや製造上の作業性を考慮すると距離ｚを２０μｍ程度に設定するのが望ましい。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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の長手方向を表す。
【００４３】
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。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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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に達し、ビームスポット半径ｗ２となる。
【００４７】
引き続き、受光部１２ｂに入射された光は、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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、先球ファイバ１１は、曲率半径Ｒを有し、受光部１２ｂにおける光ビームのビームスポット半径ｗ２を１０μｍ程度に絞り込む構成としたので、光信号を受光部１２ｂに効率よく集光することができ、光通信の高速化に対応することができる。
【００５０】
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。
【００５１】
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】
【００５２】
以上のように、本発明に係る光受信モジュールは、光信号を受光素子に効率よく集光することができ、光通信の高速化に対応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】
【００５３】
【図１】本発明の実施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】本発明の実施形態に係る光受信モジュールのＡＰＤ及びＴＩＡの等価回路を示す図
【図４】本発明の実施形態に係る光受信モジュールにおける曲率半径Ｒとビームスポット半径ｗ２との関係を示す図
【図５】本発明の実施形態に係る光受信モジュールにおける距離ｚとビームスポット半径ｗ２との関係を示す図
【符号の説明】
【００５４】
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】
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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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