(57)【要約】【課題】温度及び波長の変化に伴う半導体受光素子の受光層への入射光強度の変動を低減できる光モジュールを提供する。【解決手段】光モジュール１Ａは、ＬＤ１１から出力されたレーザ光Ｌ１をコリメート光Ｌ２に変換する第１レンズ１２と、コリメート光Ｌ２の一部を分岐するＢＳ１３と、ＢＳ１３により分岐されたコリメート光Ｌ５を受けるＰＤ１４と、を備える。ＢＳ１３は、第１のガラス部材１３ａと第２のガラス部材１３ｂとの間に挟まれた多層膜フィルタ１３ｃを有する。ＰＤ１４は、半導体基板上に設けられた受光層を含む半導体積層部を有する。半導体基板の裏面は、一方のガラス部材１３ｂの表面に固定され、一方のガラス部材１３ｂを介して多層膜フィルタ１３ｃと光学的に結合される。半導体基板の裏面には、一方のガラス部材１３ｂの屈折率と半導体基板の屈折率とを整合させる反射防止膜が設けられる。【選択図】図３
2018066888.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、
前記半導体レーザ素子と光学的に結合され、前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光をコリメート光に変換する第１レンズと、
前記第１レンズと光学的に結合され、前記コリメート光を集光して光導波路に導く第２レンズと、
前記第１レンズと前記第２レンズとの間の光路上に設けられ、前記コリメート光の一部を分岐するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにより分岐された前記コリメート光を受ける半導体受光素子と、
を備え、
前記ビームスプリッタは、第１のガラス部材と第２のガラス部材との間に挟まれた多層膜フィルタを有し、
前記半導体受光素子は、主面及び裏面を有する半導体基板と、前記主面上に設けられた受光層を含む半導体積層部とを有し、
前記半導体基板の前記裏面は、一方の前記ガラス部材の表面に固定され、前記一方のガラス部材を介して前記多層膜フィルタと光学的に結合され、
前記半導体基板の前記裏面には、前記一方のガラス部材の屈折率と前記半導体基板の屈折率とを整合させる反射防止膜が設けられている、光モジュール。
【請求項２】
前記半導体基板はＩｎＰ基板であり、
前記半導体積層部の前記半導体基板に接する層はＩｎＧａＡｓを含む、請求項１に記載の光モジュール。
【請求項３】
前記反射防止膜はＳｉＮ膜である、請求項１または２に記載の光モジュール。
【請求項４】
前記反射防止膜と前記一方のガラス部材との間に設けられた樹脂膜を更に備え、
前記樹脂膜の屈折率が前記一方のガラス部材の屈折率と等しい、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光モジュール。
【請求項５】
前記半導体レーザ素子及び前記半導体受光素子の温度を電気的に制御する素子を備えない、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光モジュール。
【請求項６】
互いに異なる波長のレーザ光を出力する複数の半導体レーザ素子と、
前記複数の半導体レーザ素子とそれぞれ光学的に結合され、各半導体レーザ素子から出力された前記レーザ光をコリメート光に変換する複数の第１レンズと、
前記複数の第１レンズと光学的に結合され、複数の前記コリメート光を互いに合波する合波光学系と、
前記合波光学系と光学的に結合され、合波された前記コリメート光を集光して光導波路に導く第２レンズと、
前記複数の第１レンズと前記合波光学系との間の光路上に設けられ、各コリメート光の一部を分岐するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにより分岐された各コリメート光を受ける複数の半導体受光素子と、
を備え、
前記ビームスプリッタは、第１のガラス部材と第２のガラス部材との間に挟まれた多層膜フィルタを有し、
各半導体受光素子は、主面及び裏面を有する半導体基板と、前記主面上に設けられた受光層を含む半導体積層部とを有し、
前記半導体基板の前記裏面は、一方の前記ガラス部材の表面に固定され、前記一方のガラス部材を介して前記多層膜フィルタと光学的に結合され、
前記半導体基板の前記裏面には、前記一方のガラス部材の屈折率と前記半導体基板の屈折率とを整合させる反射防止膜が設けられている、光モジュール。
【請求項７】
前記反射防止膜は２．０５〜２．３５の屈折率を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、半導体受光素子及び光モジュールに関する技術が開示されている。図１０は、特許文献１に記載された半導体受光素子１３０の積層構成を示す模式図である。半導体受光素子１３０は、ｎ型ＩｎＰ基板１３２、ｎ型ＩｎＧａＡｓ層１３４、及びｎ型ＩｎＰ層１３６を有する。ｎ型ＩｎＰ基板１３２は、互いに対向する表面及び裏面を有する。ｎ型ＩｎＧａＡｓ層１３４は、ｎ型ＩｎＰ基板１３２の表面上に設けられている。ｎ型ＩｎＧａＡｓ層１３４のバンドギャップは、ｎ型ＩｎＰ基板１３２のバンドギャップよりも小さい。ｎ型ＩｎＰ層１３６はｎ型ＩｎＧａＡｓ層１３４上に設けられている。ｎ型ＩｎＰ層１３６の一部にｐ型領域１３８，１４０が設けられている。ｎ型ＩｎＰ層１３６及びｐ型領域１３８にカソード電極１４２が接続され、ｐ型領域１４０にアノード電極１４４が接続されている。ｎ型ＩｎＰ基板１３２の裏面上には低反射膜１４６が設けられている。ｎ型ＩｎＰ基板１３２の裏面が入射光の受光面である。ｎ型ＩｎＰ基板１３２の裏面には、低反射膜１４６よりも入射光に対する反射率が高い物質又は構造が設けられていない。光モジュールにおいて、この半導体受光素子１３０は台座の上にフリップチップ実装されており、半導体レーザ素子から出射された背面光Ｌａが、ｎ型ＩｎＰ基板１３２の裏面に入射する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２５３９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載された光モジュールでは、半導体受光素子が台座上にフリップチップ実装され、半導体レーザ素子の背面光を空気を介して受光する。しかしながら、半導体受光素子の受光形態はこのような形態に限られず、例えば、半導体レーザ素子の正面から出射されたレーザ光の一部を分岐し、その分岐光を受光する形態も存在する。そのような形態の一つとして、レーザ光を分岐するためのビームスプリッタの表面に半導体受光素子を実装してワイヤボンディングを行い、ビームスプリッタにおいて分岐された光を、ビームスプリッタの表面から半導体受光素子の裏面に入射させる形態が考えられる。
【０００５】
しかしながら、本発明者は、そのような形態において次の課題が存在することを見出した。すなわち、ビームスプリッタと半導体受光素子との間には、無視できない屈折率差が存在する。例えば、半導体受光素子の裏面がＩｎＰからなる場合、ＩｎＰの屈折率は３．２０である。一方、ビームスプリッタがガラスからなる場合、ガラスの屈折率は１．５０である。加えて、半導体受光素子の裏面を構成する半導体基板と、半導体基板上に積層された受光層を含む半導体積層部との間にも、無視できない屈折率差が存在する。例えば、半導体積層部がＩｎＧａＡｓからなる場合、ＩｎＧａＡｓの屈折率は３．９２である。本発明者による実験の結果、半導体基板のビームスプリッタ側の界面と半導体積層部側の界面との間において光の多重反射が生じて干渉が生じることがわかった。そして、これらの界面における反射特性が温度及び波長によって変化し、その結果、受光層に入射する光の強度が、温度及び波長の変化に伴って変動することがわかった。
【０００６】
本発明は、温度及び波長の変化に伴う半導体受光素子の受光層への入射光強度の変動を低減できる光モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る光モジュールは、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子と光学的に結合され、半導体レーザ素子から出力されたレーザ光をコリメート光に変換する第１レンズと、第１レンズと光学的に結合され、コリメート光を集光して光導波路に導く第２レンズと、第１レンズと第２レンズとの間の光路上に設けられ、コリメート光の一部を分岐するビームスプリッタと、ビームスプリッタにより分岐されたコリメート光を受ける半導体受光素子と、を備える。ビームスプリッタは、第１のガラス部材と第２のガラス部材との間に挟まれた多層膜フィルタを有する。半導体受光素子は、主面及び裏面を有する半導体基板と、主面上に設けられた受光層を含む半導体積層部とを有する。半導体基板の裏面は、一方のガラス部材の表面に固定され、一方のガラス部材を介して多層膜フィルタと光学的に結合されている。半導体基板の裏面には、一方のガラス部材の屈折率と半導体基板の屈折率とを整合させる反射防止膜が設けられている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明による光モジュールによれば、温度及び波長の変化に伴う半導体受光素子の受光層への入射光強度の変動を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、一実施形態に係る光モジュールの内部構造を示す切欠斜視図である。
【図２】図２は、光モジュールの内部構造を概略的に示す平面図である。
【図３】図３は、光モジュールの部分的な構成を概略的に示す図である。
【図４】図４は、ＰＤ付近の構成を詳細に示す断面図である。
【図５】図５は、比較例としての光学系を模式的に示す図である。
【図６】図６は、ＰＤに入射するコリメート光の光強度を一定としたときのＰＤの出力値と波長及び温度との関係を示すグラフである。
【図７】図７は、透明樹脂膜、反射防止膜、半導体基板、及び半導体積層部による積層構造を模式的に示す図である。
【図８】図８（ａ）及び図８（ｂ）は、透明樹脂膜から半導体積層部への透過特性を示す図である。
【図９】図９は、反射防止膜の屈折率と、透明樹脂膜から半導体積層部への透過率の最大値と最小値との比との関係を見積もったグラフである。
【図１０】図１０は、特許文献１に記載された半導体受光素子の積層構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の実施形態に係る光モジュールの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１１】
図１は、一実施形態に係る光モジュール１Ａの内部構造を示す切欠斜視図である。図２は、光モジュール１Ａの内部構造を概略的に示す平面図である。図１及び図２に示すように、光モジュール１Ａは、直方体状の筐体２と、フランジを有し円柱状の光結合部３とを備える発光モジュール（ＴＯＳＡ；Transmitter Optical SubAssembly）である。また、光モジュール１Ａの内部には、複数の半導体レーザ素子（ＬＤ）１１ａ〜１１ｄ、複数の第１レンズ１２ａ〜１２ｄ、ビームスプリッタ（ＢＳ）１３、複数の半導体受光素子（フォトダイオード、ＰＤ）１４ａ〜１４ｄ、及び合波光学系１８が設けられている。一例では、光モジュール１Ａは、４個のＬＤ１１ａ〜１１ｄを備えた４チャネルの発光モジュールである。ＬＤ１１ａ〜１１ｄ、第１レンズ１２ａ〜１２ｄ、ＢＳ１３、ＰＤ１４ａ〜１４ｄ、及び合波光学系１８は、筐体２の内部に設けられたベース部材７の平坦な主面上に配置されている。
【００１２】
光モジュール１Ａでは、光源として機能するＬＤ１１ａ〜１１ｄが各々独立して駆動され、ＬＤ１１ａ〜１１ｄが個別にレーザ光Ｌ１ａ〜Ｌ１ｄを出力する。ＬＤ１１ａ〜１１ｄへの駆動信号は、光モジュール１Ａの外部から提供される。レーザ光Ｌ１ａ〜Ｌ１ｄは、駆動信号に応じて変調される。ＬＤ１１ａ〜１１ｄは例えば分布帰還型（ＤＦＢ）レーザである。レーザ光Ｌ１ａ〜Ｌ１ｄの各波長は例えば１．３μｍ帯であり、互いに異なる。第１レンズ１２ａ〜１２ｄは、それぞれＬＤ１１ａ〜１１ｄと光学的に結合されている。ＬＤ１１ａ〜１１ｄから出力されたレーザ光Ｌ１ａ〜Ｌ１ｄは、それぞれ第１レンズ１２ａ〜１２ｄに入力する。各ＬＤ１１ａ〜１１ｄは、対応する第１レンズ１２ａ〜１２ｄの焦点に配置されている。第１レンズ１２ａ〜１２ｄは、発散光であるレーザ光Ｌ１ａ〜Ｌ１ｄをそれぞれコリメート光Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄに変換する。
【００１３】
なお、光源（ＬＤ１１ａ〜１１ｄ）が理想的な点光源ではないので、第１レンズ１２ａ〜１２ｄを通過したレーザ光は、厳密にはコリメート光にはならない。すなわち、コリメート光Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄは、ビームウェスト（光軸に沿ったフィールドパターンに生ずるくびれ）においてその光径が最小に絞られ、その後発散光に転ずる準コリメート光である。
【００１４】
ＢＳ１３は、第１レンズ１２ａ〜１２ｄの各光軸と交差する方向に延びており、第１レンズ１２ａ〜１２ｄと後述する第２レンズ４との間の光路上、より具体的には第１レンズ１２ａ〜１２ｄと合波光学系１８との間の光路上に配置されている。ＢＳ１３は、第１レンズ１２ａ〜１２ｄの各光軸に対して傾斜する誘電体多層膜を内部に有しており、この誘電体多層膜をコリメート光Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄが通過する際に、コリメート光Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄの各一部（例えばコリメート光Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄの光量の５〜１０％）を分岐する。ＰＤ１４ａ〜１４ｄは、ＢＳ１３の表面上に実装され、分岐されたコリメート光Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄの各一部を受光する。
【００１５】
合波光学系１８は、ＢＳ１３を介して第１レンズ１２ａ〜１２ｄと光学的に結合され、コリメート光Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄを互いに合波する。本実施形態の合波光学系１８は、第１ＷＤＭフィルタ１５、第２ＷＤＭフィルタ１６、ミラー１７、及び偏波合成器１９を含む。
【００１６】
ミラー１７は、ＢＳ１３を介して第１レンズ１２ａ，１２ｂと光学的に結合されている。ミラー１７の光反射面は、第１レンズ１２ａ，１２ｂの光軸上に位置し、これらの光軸に対して傾斜している。ミラー１７は、コリメート光Ｌ２ａ，Ｌ２ｂをこれらの光軸と交差する方向へ向けて反射する。
【００１７】
第１ＷＤＭフィルタ１５は、ＢＳ１３を介して第１レンズ１２ｃと光学的に結合されている。第１ＷＤＭフィルタ１５の波長選択面は、第１レンズ１２ｃの光軸上に位置し、該光軸に対して傾斜している。第１ＷＤＭフィルタ１５は、第１レンズ１２ｃからのコリメート光Ｌ２ｃを透過させるとともに、ミラー１７によって反射されたコリメート光Ｌ２ａを反射する。これにより、コリメート光Ｌ２ａ及びＬ２ｃの光路が互いに一致し、コリメート光Ｌ２ａ及びＬ２ｃが互いに合波されてコリメート光Ｌ３ａとなる。
【００１８】
第２ＷＤＭフィルタ１６は、ＢＳ１３を介して第１レンズ１２ｄと光学的に結合されている。第２ＷＤＭフィルタ１６の波長選択面は、第１レンズ１２ｄの光軸上に位置し、該光軸に対して傾斜している。第２ＷＤＭフィルタ１６は、第１レンズ１２ｄからのコリメート光Ｌ２ｄを透過させるとともに、ミラー１７によって反射されたコリメート光Ｌ２ｂを反射する。これにより、コリメート光Ｌ２ｂ及びＬ２ｄの光路が互いに一致し、コリメート光Ｌ２ｂ及びＬ２ｄが互いに合波されてコリメート光Ｌ３ｂとなる。
【００１９】
偏波合成器１９は、第１の面１９ａ及び第２の面１９ｂを有する板状の部材である。第１の面１９ａには反射防止膜１９ｃおよび偏波フィルタ膜１９ｄが形成され、第２の面１９ｂには反射膜１９ｅ及び反射防止膜１９ｆが形成されている。第１の面１９ａの反射防止膜１９ｃには、コリメート光Ｌ３ａが入力する。コリメート光Ｌ３ａは偏波合成器１９の内部を通過して第２の面１９ｂの反射膜１９ｅに達し、反射膜１９ｅによって反射されたのち、第１の面１９ａの偏波フィルタ膜１９ｄに達する。一方、第１の面１９ａの偏波フィルタ膜１９ｄには、コリメート光Ｌ３ｂが入力する。コリメート光Ｌ３ａ，Ｌ３ｂのうち一方の偏光面が、図示しない半波長板によって９０°回転されることにより、コリメート光Ｌ３ａが偏波フィルタ膜１９ｄにおいて反射され、コリメート光Ｌ３ｂが偏波フィルタ膜１９ｄを透過する。その結果、コリメート光Ｌ３ａ及びＬ３ｂは互いに合波され、コリメート光Ｌ４となる。コリメート光Ｌ４は、第２の面１９ｂの反射防止膜１９ｆを通って偏波合成器１９から出力され、筐体２の側壁２Ａに設けられた窓２ａを介して筐体２外に出力される。
【００２０】
光結合部３は、第２レンズ４と、ファイバスタブ６とを有する同軸モジュールである。第２レンズ４は、合波光学系１８と光学的に結合され、更に、合波光学系１８及びＢＳ１３を介して第１レンズ１２ａ〜１２ｄと光学的に結合される。ファイバスタブ６は、光ファイバ（光導波路）５を保持する。第２レンズ４は、コリメート光Ｌ４を集光して光ファイバ５の端面に導く。光結合部３は、コリメート光Ｌ４の光軸に対して調芯されたのち、筐体２の側壁２Ａに溶接により固定される。光結合部３は、第２レンズ４及びファイバスタブ６に加えて、外部からの光を遮断する光アイソレータを更に有してもよい。
【００２１】
なお、本実施形態では、ＬＤ１１ａ〜１１ｄ及びＰＤ１４ａ〜１４ｄを含めた全ての部品に対して、温度調整は行われない。すなわち、光モジュール１Ａは、ＬＤ１１ａ〜１１ｄ、ＰＤ１４ａ〜１４ｄ等の温度を電気的に制御するペルチェ素子といったＴＥＣ（Thermo-Electric Controller）を備えていない。４つの信号それぞれに割り当てられる波長帯域が比較的広い通信方式（例えばＣＷＤＭ；Coarse Wavelength Division Multiplexing）では、温度変化により或るＬＤの発振波長がシフトしたとしても、該ＬＤから出力される光信号と、他のＬＤから出力される光信号との識別は十分に可能である。従って、そのような通信方式においてＴＥＣを省くことにより、光モジュール１Ａの製造コストを低減できる。
【００２２】
図３は、上述した光モジュール１Ａの部分的な構成を概略的に示す図である。なお、図３には、ＬＤ１１、第１レンズ１２、及びＰＤ１４が示されているが、これらは、それぞれＬＤ１１ａ〜１１ｄ、第１レンズ１２ａ〜１２ｄ、及びＰＤ１４ａ〜１４ｄに相当する。
【００２３】
図３に示すように、ＬＤ１１から出力されたレーザ光Ｌ１（図２のレーザ光Ｌ１ａ〜Ｌ１ｄに相当）は、第１レンズ１２においてコリメート光Ｌ２（図２のコリメート光Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄに相当）に変換される。コリメート光Ｌ２は、ＢＳ１３を通過したのち他のコリメート光と合波されてコリメート光Ｌ４となり、第２レンズ４において集光され、光ファイバ５の端面に入射する。また、コリメート光Ｌ２の一部はＢＳ１３において分岐される。分岐された一部のコリメート光Ｌ５は、ＢＳ１３の表面上に実装されたＰＤ１４に裏面側から入射する。
【００２４】
ＢＳ１３は、第１のガラス部材１３ａ、第２のガラス部材１３ｂ、及び多層膜フィルタ１３ｃを有する。ガラス部材１３ａ及び１３ｂは、例えばコリメート光Ｌ２の波長に対して透明なガラス材料（例えばＢＫ−７）からなる。第１のガラス部材１３ａは、筐体２の底面に固定される下面１３ｄと、コリメート光Ｌ２の光路に対して傾斜する斜面１３ｆとを有する。第２のガラス部材１３ｂは、ＰＤ１４を搭載する表面１３ｅと、コリメート光Ｌ２の光路に対して傾斜する斜面１３ｇとを有する。第１のガラス部材１３ａの斜面１３ｆと第２のガラス部材１３ｂの斜面１３ｇとは互いに対向して配置される。多層膜フィルタ１３ｃは、斜面１３ｆと斜面１３ｇとの間に挟まれて固定される。多層膜フィルタ１３ｃの積層数、屈折率及び厚さが、コリメート光Ｌ２の分岐比を決定する。なお、コリメート光Ｌ２の光路に対する斜面１３ｆ，１３ｇの角度は、４５°よりも僅かに大きい。これにより、コリメート光Ｌ２の光路に対して略平行に形成された表面１３ｅへのコリメート光Ｌ５の入射角を０°より大きくすることができ、フレネル反射によるＬＤ１１への反射戻り光を低減できる。
【００２５】
ＰＤ１４は、その裏面とＢＳ１３の表面１３ｅとが互いに対向し、ＢＳ１３上に実装されている。ＰＤ１４は、多層膜フィルタ１３ｃによって分岐されたコリメート光Ｌ５を、裏面において受ける。図４は、ＰＤ１４付近の構成を詳細に示す断面図である。図４に示すように、ＰＤ１４は、半導体基板２１と、半導体基板２１上に形成された半導体積層部２２とを有する。半導体基板２１は、例えばＩｎＰ基板である。半導体基板２１は、互いに対向する主面２１ａ及び裏面２１ｂを有する。半導体積層部２２は主面２１ａ上に形成されており、裏面２１ｂはＢＳ１３の第２のガラス部材１３ｂの表面１３ｅと対向する。
【００２６】
半導体積層部２２は、主面２１ａ上に順にエピタキシャル成長した、第１コンタクト層２３、受光層２４、及び第２コンタクト層２５を含む。本実施形態では、第１コンタクト層２３は半導体基板２１と接し、受光層２４は第１コンタクト層２３と接し、第２コンタクト層２５は受光層２４と接する。第１コンタクト層２３、受光層２４、及び第２コンタクト層２５は、例えばＩｎＧａＡｓを主に含む。第１コンタクト層２３はｎ型であり、ｎ側電極２６とオーミック接触している。受光層２４はｉ型である。第２コンタクト層２５はｐ型であり、ｐ側電極２７とオーミック接触している。半導体積層部２２は絶縁膜２８によって覆われており、ｎ側電極２６およびｐ側電極２７は、絶縁膜２８に形成された開口を介して、それぞれ第１コンタクト層２３および第２コンタクト層２５と接触している。ｎ側電極２６およびｐ側電極２７は、図示しないボンディングワイヤを介して、筐体２内部に配置された配線基板と電気的に接続される。
【００２７】
なお、ＢＳ１３上においてＰＤ１４をフリップチップボンディングにより実装することも考えられる。しかし、フリップチップボンディングはワイヤボンディングと比較してコスト面で不利である。ガラス製のＢＳ１３の表面に金属製の電極パターンを成膜する必要があるからである。また、本実施形態のように、ＰＤ１４をコリメート光Ｌ２の平均光強度を検出する目的で配置する場合には、周波数特性を考慮したフリップチップボンディングを行う必要もない。従って、本実施形態では、ＰＤ１４の裏面側をＢＳ１３に接着し、ＰＤ１４の表面側に位置する電極２６，２７のワイヤボンディングを行う構成としている。それ故に、コリメート光Ｌ５はＰＤ１４の裏面に入射することとなる。
【００２８】
半導体基板２１の裏面２１ｂには、反射防止膜２９が設けられている。反射防止膜２９は、第２のガラス部材１３ｂの屈折率と半導体基板２１の屈折率とを整合させるための誘電体多層膜であって、例えばＳｉＮ膜である。
【００２９】
なお、第２コンタクト層２５上に、ＰＤ１４の表面から光を入射させる場合に有効となる反射防止膜が形成されてもよい。この反射防止膜は、本実施形態のようにＰＤ１４の裏面側から光を入射させる場合においても有効であり、受光層２４を通過した光が再び受光層２４に戻ることを抑制できる。
【００３０】
反射防止膜２９と第２のガラス部材１３ｂの表面１３ｅとの間には、透明樹脂膜３１が設けられている。半導体基板２１の裏面２１ｂは、この透明樹脂膜３１を介して、第２のガラス部材１３ｂの表面１３ｅに固定されている。一例では、透明樹脂膜３１は反射防止膜２９と表面１３ｅとの間に樹脂が充填されて成り、反射防止膜２９と表面１３ｅとの間には、透明樹脂膜３１以外の物質及び空隙は介在しない。そして、半導体基板２１の裏面２１ｂは、透明樹脂膜３１及び第２のガラス部材１３ｂを介して多層膜フィルタ１３ｃ（図３参照）と光学的に結合される。透明樹脂膜３１は、例えば紫外線硬化性の樹脂膜である。透明樹脂膜３１の屈折率は、第２のガラス部材１３ｂの屈折率（ＢＫ−７の場合、１．５０）とほぼ等しい。
【００３１】
ここで、本実施形態の光モジュール１Ａが解決する課題について説明する。図５は、比較例としての光学系１００を模式的に示す図であって、レンズ１０２とレンズ１０４との間にレンズ１０３が設けられている。そして、ＬＤ１０１とレンズ１０２との距離はレンズ１０２の焦点位置よりも長く設定され、ＬＤ１０１から出力されたレーザ光Ｌは、レンズ１０２とレンズ１０３との間で一旦収束してビームウェストを形成し、レンズ１０３においてコリメートされる。ＢＳ１１３は、レンズ１０２とレンズ１０３との間に配置され、収束するレーザ光Ｌの一部を分岐してＰＤ１１４に提供する。一部のレーザ光Ｌは、収束されつつＰＤ１１４に入射する。
【００３２】
図５に示すような光学系ではレーザ光Ｌを伝搬するために３つのレンズ１０２〜１０４が必要であり、光モジュールの小型化および低コスト化のためにはレンズ数の削減が望まれる。そこで、図３に示すような２レンズ系が考えられる。すなわち、図５のレンズ１０３を取り除き、レンズ１０２がレーザ光Ｌをコリメート光に変換する構成である。図５に示された構成と比較して１つのＬＤにつき１つのレンズを削減することができるので、光モジュールの小型化および低コスト化に寄与できる。
【００３３】
ここで、２レンズ系の構成において、本発明者は次の課題を見出した。２レンズ型の構成においては、図５に示された構成とは異なり、コリメート光がＰＤに入射することとなる。その場合、ＰＤの内部において多重反射が顕著に生じ、受光層に入射する光の強度に干渉の影響が生じてしまう。その結果、温度や波長が変動したときにＰＤの出力値に変動が生じることとなる。通常、光送信器などの光モジュールを備える装置においては、ＰＤからの出力値に基づいてＬＤへの駆動電流の大きさを制御することにより、レーザ光の平均光強度を一定に制御する（Auto Power Control）。従って、このＰＤの出力値の変動は、レーザ光の平均光強度が変動する要因となる。
【００３４】
本発明者は、その干渉に関して実験を行った。図６は、ＰＤに入射するコリメート光の光強度を一定としたときのＰＤの出力値と波長及び温度との関係を示すグラフである。図６の横軸は光の波長を表し、縦軸はＰＤの出力値（相対値）を表す。図中のグラフＧ１１〜Ｇ１６は、それぞれＰＤの温度を２５℃、４０℃、５０℃、６０℃、７０℃、及び８０℃としたときのＰＤの出力値を示す。なお、この実験において用いられたＰＤは、半導体基板の裏面上に反射防止膜（透過特性が空気（屈折率１．０）に対して最適化されたもの、例えば特許文献１を参照）が設けられている。
【００３５】
図６を参照すると、ＰＤの出力値が、波長の変化に応じて正弦波状に大きな振幅で（例えば０．６ｄＢ程度）変動すること、及び温度の変化に応じて上下に変動することが理解できる。このことは、ＰＤの内部において多重反射による干渉が生じていることを示唆している。そして、図６に示される変動周期はおよそ１．３ｎｍと見積られる。この変動周期と、ＩｎＰの屈折率及びコリメート光の波長とに基づき、多重反射の端面間の間隔を算出したところ２０３．１μｍとなり、ＰＤの半導体基板の厚さ（２００μｍ）とほぼ一致した。このことから、多重反射の一方の端面が、半導体基板とＢＳとの界面（若しくは半導体基板と透明樹脂膜との界面）であり、他方の端面が、半導体基板と半導体積層部との界面であることが推測される。
【００３６】
半導体基板がＩｎＰ基板である場合、半導体基板の屈折率は３．２０となる。ＢＳがガラスからなる場合、ＢＳの屈折率は１．５０となる。半導体積層部がＩｎＧａＡｓの場合、半導体積層部の屈折率は３．９２である。このように、半導体基板とＢＳとの間、及び半導体基板と半導体積層部との間には、無視できない大きな屈折率差が存在する。このことから、上記の推測の確実性は極めて高いといえる。
【００３７】
なお、図６に示された光学系では、レーザ光が収束されながらＰＤに入射している。この場合、レーザ光の内部においてＰＤへの入射角にばらつきがあるので、上記の干渉による問題が生じにくいと考えられる。
【００３８】
上記の多重反射を低減する為には、半導体基板とＢＳとの界面、及び半導体基板と半導体積層部との界面のうち何れかの反射率を低減することが望ましい。しかし、半導体基板と半導体積層部との界面の反射率を低減するには半導体積層部の半導体材料を変更する必要があるが、所望の光電変換特性を得るためには半導体材料の変更は困難である。また、この界面が与える反射率は１．０％以下であり、比較的小さい。そこで、本発明者は、半導体基板とＢＳとの界面の反射率を低減することに着目した。
【００３９】
すなわち、本実施形態では、ＰＤ１４の半導体基板２１の裏面２１ｂ上に、反射防止膜２９が設けられている。この反射防止膜２９は、半導体基板２１と透明樹脂膜３１（或いは、透明樹脂膜３１と同じ屈折率を有するＢＳ１３の第２のガラス部材１３ｂ）との界面における反射を低減することに適した透過特性を備えている。
【００４０】
図７は、透明樹脂膜３１、反射防止膜２９、半導体基板２１、及び半導体積層部２２による積層構造を模式的に示す図である。ＰＤ１４に入射する波長１．３０〜１．３２μｍのコリメート光Ｌ５は、例えば１０°の入射角にて反射防止膜２９に入射したのち、反射防止膜２９及び半導体基板２１を経て、半導体積層部２２に達する。この構造において、仮に反射防止膜２９が存在しない場合を計算すると、透明樹脂膜３１から半導体積層部２２への透過特性は図８（ａ）になる。図８（ａ）において、透過率の最大値は−０．３４３ｄＢであり、透過率の最小値は−０．９９１ｄＢであり、最大値と最小値との比は０．６４８ｄＢであり、周期は１．３５ｎｍである。また、仮に反射防止膜２９に代えて、対空気で最適化された反射防止膜（屈折率ｎ＝１．７８９、厚さｄ＝０．１８３μｍ）が存在する場合を計算すると、透明樹脂膜３１から半導体積層部２２への透過特性は図８（ｂ）に示す特性となる。図８（ｂ）において、透過率の最大値は−０．０４５ｄＢであり、透過率の最小値は−０．４０１ｄＢであり、最大値と最小値との比は０．３５６ｄＢであり、周期は１．３５ｎｍである。
【００４１】
反射防止膜がない場合には、波長の変化による透過率の変動が０．６４８ｄＢといった極めて大きな値となるが、反射防止膜が設けられた場合であっても、空気に対して最適化されている場合には、波長の変化による透過率の変動が０．３５６ｄＢといった大きな値となる。変動をゼロに近づける為には、反射防止膜２９の屈折率ｎを２．１９１まで大きくするとよい。これにより無反射条件となり、干渉が生じなくなる。試算では、反射防止膜２９の屈折率を２．０７とすれば、干渉による透過率の変動を０．１ｄＢ以下に抑えることができる。更に、反射防止膜２９の屈折率を２．１４〜２．２６とすれば、干渉による透過率の変動を０．０５ｄＢ以下に抑えることができる。
【００４２】
図９は、反射防止膜２９の屈折率と、透明樹脂膜３１から半導体積層部２２への透過率の最大値と最小値との比との関係を見積もったグラフである。図９に示すように、この比を０．１ｄＢ以下とする為には、反射防止膜２９の屈折率が２．０７以上であることが好ましい。そして、反射防止膜２９の屈折率が２．２まで増加すると、半導体基板２１（ＩｎＰ）と透明樹脂膜３１との間には反射界面が実質存在し得なくなり、透過光強度の変動は殆ど生じなくなる。
【００４３】
なお、反射防止膜２９の厚さも透過率の変動に影響する。本発明者の計算によれば、透過率の最大値と最小値との比が０．１ｄＢを下回る条件下では、反射防止膜２９の厚さが０．１５μｍ以上０．１６μｍ以下である場合に、透過率の変動が実質的に生じなくなる。
【００４４】
反射防止膜２９に関して上記の屈折率を実現するには、反射防止膜２９がＳｉＮ膜であるとよい。ＳｉＮのＳｉ含有量や厚さ等に依存するが、ＳｉＮの屈折率は１．６〜２．５程度の範囲の値を取り得るからである。なお、ＳｉＯＮの屈折率の上限は２．０程度であり、ＳｉＯ2の屈折率の上限は１．４５程度である。
【００４５】
なお、例えばＤＷＤＭ（Dense Wavelength Division Multiplexing）といった各ＬＤ間の波長間隔が短い方式に用いられる光モジュールでは、温度変化による各波長の変動を抑制するため、各ＬＤを含む光学系をＴＥＣ上に搭載して温度を一定に制御する。本実施形態においても、ＴＥＣによる温度制御が行われていれば、波長の変動及びＰＤの温度変化が抑制され、その結果、透過率の変動を回避できる。しかし、本実施形態の光モジュール１ＡはＴＥＣを備えていないので、上述した反射防止膜２９を配置することが極めて効果的となる。
【００４６】
以上、本実施形態の光モジュール１Ａによれば、温度及び波長の変化に伴うＰＤの受光層への入射光強度の変動を低減できる。従って、ＬＤの平均発光強度を安定して制御することができる。また、光学系を２レンズ系にて構成することができ、更にＴＥＣを不要にできるので、光モジュール１Ａを小型化でき、且つ低コスト化が可能となる。
【００４７】
本発明による光モジュールは、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではＩｎＰ基板上にＩｎＧａＡｓ積層部を有するフォトダイオードに反射防止膜を形成しているが、本発明では、他の様々な半導体材料のフォトダイオードに反射防止膜を形成してもよい。また、上記実施形態では反射防止膜と第２のガラス部材との間に透明樹脂膜が介在しているが、反射防止膜と第２のガラス部材とが直に接してもよい。
【符号の説明】
【００４８】
１Ａ…光モジュール、２…筐体、２Ａ…側壁、２ａ…窓、３…光結合部、４…第２レンズ、５…光ファイバ、６…ファイバスタブ、７…ベース部材、１１，１１ａ〜１１ｄ…半導体レーザ素子（ＬＤ）、１２，１２ａ〜１２ｄ…第１レンズ、１３…ビームスプリッタ（ＢＳ）、１３ａ…第１のガラス部材、１３ｂ…第２のガラス部材、１３ｃ…多層膜フィルタ、１４，１４ａ〜１４ｄ…ＰＤ、１５…第１ＷＤＭフィルタ、１６…第２ＷＤＭフィルタ、１７…ミラー、１８…合波光学系、１９…偏波合成器、２１…半導体基板、２２…半導体積層部、２３…コンタクト層、２４…受光層、２５…コンタクト層、２６…ｎ側電極、２７…ｐ側電極、２８…絶縁膜、２９…反射防止膜、３１…透明樹脂膜、１００…光学系、１０１…ＬＤ、１０２〜１０４…レンズ、１１３…ＢＳ、１１４…ＰＤ、Ｌ１，Ｌ１ａ〜Ｌ１ｄ…レーザ光、Ｌ２，Ｌ２ａ〜Ｌ２ｄ…コリメート光、Ｌ３ａ，Ｌ３ｂ…コリメート光、Ｌ４，Ｌ５…コリメート光。
【図１】
2018066888.tif 000003
【図２】
2018066888.tif 000004
【図３】
2018066888.tif 000005
【図４】
2018066888.tif 000006
【図５】
2018066888.tif 000007
【図６】
2018066888.tif 000008
【図７】
2018066888.tif 000009
【図８】
2018066888.tif 000010
【図９】
2018066888.tif 000011
【図１０】
2018066888.tif 000012