(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも吸収帯域の異なる第１の受光部および第２の受光部を有し、２以上の波長帯の信号を受光し得る受光素子と、予め設定されまたは測定された、前記第１の受光部における第１および第２の周波数帯のそれぞれの相対的な受光感度ａ、ｂと前記第２の受光部における前記第１および第２の周波数帯のそれぞれの相対的な受光感度ｃ、ｄとに基づき、前記第１および第２の受光部で得られる電気信号Ａ、Ｂから前記第１および第２の周波数帯の電気信号の強度ｘ、ｙを、ａｘ＋ｂｙ＝Ａ、ｃｘ＋ｄｙ＝Ｂの計算をすることにより求める演算部とを具備する波長分離型受光素子。
【請求項２】
前記第１および第２の受光部が１チップに形成されてなる請求項１記載の波長分離型受光素子。
【請求項３】
前記第１および第２の受光部が、基板上に２以上の周波数帯の受光部を形成すべく吸収帯域の異なる半導体層が積層される半導体積層部と、該半導体積層部の表面に該表面を分割して設けられる前記２以上の周波数帯域のそれぞれを透過させるフィルター部とを有するように形成されてなる請求項１または２記載の波長分離型受光素子。
【請求項４】
前記第１および第２の受光部がそれぞれ電気的に絶縁されてなる請求項１、２または３記載の波長分離型受光素子。
【請求項５】
送信信号光を発生させる発光部と、該発光部からの送信信号光を光伝送路に結合させる集光レンズと、前記光伝送路からの受信信号光を受信する受光部とからなる光通信用モジュールであって、前記受光部に請求項１または３記載の受光素子が用いられてなる光通信用モジュール。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は波長多重光通信などで伝送される２以上の周波数帯の信号を各周波数帯ごとに分離して受信することができる受光素子に関する。さらに詳しくは、複数の周波数帯を、たとえば１個のチップで受光し得るコンパクトな構成にしながら各周波数帯の分離を高精度にし得る波長分離型受光素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のたとえば１.３μｍ帯と１.５５μｍ帯の波長多重光通信において、各波長帯の信号を分離して受光するには、図４に示されるような構成にして行われている。すなわち、図４（ａ）に示される構造は、光伝走路３１からの受信信号光Ｒをハーフミラー３２により分離して、一方に１.３μｍ帯を透過するフィルター３３を介して第１の受光素子３４が設けられ、他方には１.５５μｍ帯を透過するフィルター３５を介して第２の受光素子３６が設けられることにより、それぞれの波長帯を別々の受光素子により受光するものである。
【０００３】
また、図４（ｂ）に示される構造は、受信信号光Ｒを回折格子３７により分離して、分離された光を第１および第２の受光素子３４、３６によりそれぞれ受光するものである。
【０００４】
これらの構造では、それぞれの波長帯ごとに別々の受光素子が配設されるため、光学系が大きくなると共に、受光素子の数が増えて高価になるという問題がある。これを解消するため、たとえば特開昭６１−１８２２７１号公報や、特開平６−１２０５５４号公報などに示されているように、一番短い波長帯の光を吸収する半導体層を一番上層にして、順次つぎの短い波長帯までの光を吸収する半導体層を下層にして、吸収する波長帯の異なる半導体層のｐｎ接合を積層することにより、１チップで複数の波長帯の信号光を別々に受光する構造が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
前述の吸収する波長帯の異なる半導体層を積層することにより、それぞれの周波数帯を分離して受光する受光素子は、１チップで複数の周波数帯を受光することができるため、非常に光学系を小形化することができて好ましい。しかし、たとえば１.３μｍ帯の光を吸収するＩｎＧａＡｓＰ層でも僅かではあるが１.５５μｍ帯の光を吸収したり、１.３μｍ帯の光を吸収しないで透過し、その下層の１.５５μｍ帯の光を吸収するＩｎＧａＡｓＰ層で吸収される場合がある。そのため、両波長帯の信号光を完全には分離することができず、その分離度は１／１０００程度が限界である。一方、波長多重を行う光通信では各周波数帯の分離度は１／１００万（６桁）程度が要求されている。このような非常に高い分離度を得るためには、前述の図４に示されるような構造や、フィルターを２枚使用する構造にせざるを得ず、光学系が大掛かりで高価になるという問題がある。
【０００６】
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、波長多重光通信のように、複数の波長帯が多重されている場合に、受光部を小形化しながら、各波長帯の分離度を非常に高くすることができる波長分離型受光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による波長分離型受光素子は、少なくとも吸収帯域の異なる第１の受光部および第２の受光部を有し、２以上の波長帯の信号を受光し得る受光素子と、予め設定されまたは測定された、前記第１の受光部における第１および第２の周波数帯のそれぞれの相対的な受光感度ａ、ｂと前記第２の受光部における前記第１および第２の周波数帯のそれぞれの相対的な受光感度ｃ、ｄとに基づき、前記第１および第２の受光部で得られる電気信号Ａ、Ｂから前記第１および第２の周波数帯の電気信号の強度の強度ｘ、ｙを、ａｘ＋ｂｙ＝Ａ、ｃｘ＋ｄｙ＝Ｂの計算をすることにより求める演算部とを具備している。
【０００８】
この構成にすることにより、第１および第２の受光部を異なる波長帯の光を吸収する半導体層の積層体からなる受光素子、または同じ半導体層で横方向に分離して形成された受光部の表面にそれぞれ異なる波長帯のフィルターが設けられる受光素子を用いて、それぞれの分離度が非常に大きい受光素子が得られる。なお、第１および第２の受光部は１チップでなくても受光帯域の異なる受光素子を用いればフィルターを使用しなくても周波数帯域の分離を充分に行うことができて小形化に寄与する。
【０００９】
前記第１および第２の受光部が、基板上に２以上の周波数帯の受光部を形成すべく吸収帯域の異なる半導体層が積層される半導体積層部と、該半導体積層部の表面に該表面を分割して設けられる前記２以上の周波数帯域のそれぞれを透過させるフィルター部とを有するように形成されていることにより、半導体層の吸収層による波長帯の分離と、フィルターによる分離との両方を併用することができるため、さらに分離度を向上することができる。
【００１０】
前記第１および第２の受光部がそれぞれ電気的に絶縁されておれば、相互の回り込みがなく、ノイズの少ない波長分離型の受光素子が得られる。
【００１１】
本発明による光通信用モジュールは、送信信号光を発生させる発光部と、該発光部からの送信信号光を光伝送路に結合させる集光レンズと、前記光伝送路からの受信信号光を受信する受光部とからなっており、前記受光部に請求項１または３記載の受光素子が用いられている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
つぎに、図面を参照しながら本発明の受光素子およびそれを用いた光通信用モジュールについて説明をする。
【００１３】
本発明の受光素子は、図１（ａ）にその一実施形態の等価回路図が示されているように、少なくとも第１の受光部２ａおよび第２の受光部２ｂを有し、２以上の波長帯の信号を受光し得る受光素子２と、予め設定されまたは測定された、第１の受光部２ａにおける第１および第２の周波数帯の受光感度と前記第２の受光部２ｂにおける第１および第２の周波数帯の受光感度とに基づき、第１および第２の受光部２ａ、２ｂで得られる電気信号から第１および第２の周波数帯の電気信号の強度を計算する演算部９とからなっている。
【００１４】
受光素子２は、たとえば図１（ｂ）に示されるように、ｎ形のＩｎＰなどからなる半導体基板１１上にｎ形のＩｎＰからなるバッファ層１１ａを介して１.５５μｍ帯の光の吸収層であるｐ形のＩｎＧａＡｓ半導体層１２、およびｐ形ＩｎＰ半導体層１３が設けられて、半導体基板１１の裏面とｐ形のＩｎＰ半導体層１３にｎ側電極１６およびｐ側電極１７がそれぞれ形成されることにより、第２の発光部２ｂが形成されている。さらに、その上に１.３μｍ帯の光の吸収層であるｐ形のＩｎＧａＡｓＰ半導体層１４、およびｎ形のＩｎＰ半導体層１５が設けられて、ｎ形のＩｎＰ半導体層１５上にｎ側電極１８が形成されることにより、前述のｐ側電極１７と共に第１の受光部２ａが形成されている。周波数帯が２種類より多い場合は、さらに他の周波数帯で吸収する半導体層を設けることにより３種類以上の周波数帯の受光素子が得られる。この場合、短い波長帯の光を吸収する半導体層が上層になるように半導体層を積層すれば、長い波長帯の光は短い波長の光を吸収する半導体層では吸収されず、各半導体層で分離して受光される。
【００１５】
受光素子２は、図１（ｂ）に示されるように吸収帯域の異なる半導体層を積層したものを使用することができるが、図１（ｃ）に示されるように、たとえばｐ形のＩｎＰ基板２１上にｐ形のＩｎＰバッファ層２１ａを介して吸収層であるｐ形のＩｎＧａＡｓ半導体層２２およびｎ形のＩｎＰ半導体層２３が積層され、メサエッチングにより２つのｐｎ接合領域が形成されている。そして、それぞれの領域のｎ形ＩｎＰ半導体層２３の一部に接続してそれぞれｎ側電極２７、２８が形成されると共に、ｎ形ＩｎＰ半導体層２３の表面にそれぞれ１.３μｍ帯の光を透過するフィルター２４および１.５５μｍ帯の光を透過するフィルター２５が形成され、半導体基板２１の裏面にｐ側電極２６が形成されることにより、一方のフィルター２４側に第１の受光部２ａが形成され、他方のフィルター２５側に第２の受光部２ｂが形成されている。フィルター２４、２５は、それぞれＳｉＯ2 、ＳｉＮ、Ａｌ2 Ｏ3 などの多層膜により形成され、その各膜の屈折率と厚さにより所望の波長帯以外の波長の光を反射させ、所望の波長帯の光のみを透過させるように形成されている。なお、２９はパッシベーション膜である。
【００１６】
演算部９は、第１および第２の受光部２ａ、２ｂそれぞれの予め測定による、または設計で得られる１.３μｍ帯と１.５５μｍ帯の受信感度に応じて、実際に測定される電気信号の強度を案分して分離する計算をするもので、連立方程式を解く計算をする論理回路またはアナログ演算回路が作り込まれたＩＣからなっている。すなわち、たとえば予め製造されて測定された第１および第２の受光部２ａの受信感度が表１に示されるように、１.３μｍ帯で１、１.５５μｍ帯で０.１であり、第２の受光部２ｂの受信感度が１.３μｍ帯で０.２、１.５５μｍ帯で１である場合に、第１の受光部２ａにより実際に受信した強度Ａと、第２の受光部２ｂにより実際に受信した強度Ｂとから、実際の１.３μｍ帯の強度ｘと、１.５５μｍ帯の強度ｙとは、つぎの連立方程式を解くことにより得られる。
【００１７】
ｘ＋０.１ｙ＝Ａ
０.２ｘ＋ｙ＝Ｂ
すなわち、ｘ＝（１０Ａ−Ｂ）／９.８、ｙ＝（５Ｂ−Ａ）／４.９
として得られる。
【００１８】
【表１】
0003881429.tif 000002
【００１９】
前述の例では、１.３μｍ帯と、１.５５μｍ帯とで受信信号光の強度が等しいとして行ったが、その両者で受信信号光の強度が異なる場合、前述の表１での各波長帯の受信感度においてその分を考慮することにより、その補正もすることができる。
【００２０】
本発明の波長分離型受光素子によれば、第１および第２の受光部による受光で充分に波長帯の分離が行われていなくても、演算部により直ちにその補正をするため、非常に精度よく分離された受光素子として機能する。なお、演算部は、受光素子チップをマウントするシリコンサブマウントなどに形成することができるし、受信用ＩＣに組み込むこともできるため、特別な部品を増やす必要もない。
【００２１】
前述の例では第１および第２の受光部が１チップ化されていたが、１チップ化されないで従来の受光素子を周波数帯ごとの別々に設ける場合でも、この演算部を用いることにより、フィルターを省略することができ、演算回路が形成されたＩＣを設けるだけですむため、光学系を小形化することができる。また、多重の波長帯が１.３μｍ帯と、１.５５μｍ帯の２種類の例であったが、３種類以上にする場合でも、受光部は積層構造を増やしたり、分割領域を増やしてフィルターの種類を増やせばよく、演算部は３元またはそれ以上の連立方程式にすればよく同様である。さらに、前述の例では、第１および第２の受光部が素子としては分離されているものの、相互に完全には電気的に分離されていないが、相互間を電気的絶縁物などにより電気的に分離すれば、電流の回り込みなどを防止することができ、ノイズの小さい波長分離型受光素子が得られる。
【００２２】
２以上の周波数帯の信号を各周波数帯ごとに６桁程度に分離して受信することができる小形の受光素子としては、図２に示す構造で１チップ化した受光素子とすることもできる。すなわち、図２に示される構造は、図１の（ｂ）と（ｃ）の構造を結合したもので、前述と同様に、ｎ形のＩｎＰなどからなる半導体基板１１上にｎ形のＩｎＰからなるバッファ層１１ａを介して１.５５μｍ帯の光の吸収層であるｐ形のＩｎＧａＡｓ半導体層１２、およびｐ形ＩｎＰ半導体層１３が設けられて、半導体基板１１の裏面とｐ形のＩｎＰ半導体層１３にｎ側電極１６およびｐ側電極１７がそれぞれ形成されることにより、第２の発光部２ｂが形成されている。さらに、その上に１.３μｍ帯の光の吸収層であるｐ形のＩｎＧａＡｓＰ半導体層１４、およびｎ形のＩｎＰ半導体層１５が設けられて、ｎ形のＩｎＰ半導体層１５上にｎ側電極１８が形成されることにより、前述のｐ側電極１７と共に第１の受光部２ａが形成されている。そしてその表面を分割して、それぞれ１.３μｍ帯の光を透過するフィルター２４および１.５５μｍ帯の光を透過するフィルター２５が形成されいる。このフィルター２４、２５も、前述と同様に、それぞれＳｉＯ2 、ＳｉＮ、Ａｌ2 Ｏ3 などの多層膜により形成され、その各膜の屈折率と厚さにより所望の波長帯以外の波長の光を反射させ、所望の波長帯の光のみを透過させるように形成されている。
【００２３】
この構造にすることにより、フィルター部で１／１０００程度に分離することができ、半導体の吸収層（バンドギャップエネルギーによる分離）により１／１０００程度に分離することができるため、併せて６桁程度の分離をすることができる。そのため、１チップで非常によく分離された波長分離型受光素子が得られる。もちろんこの受光素子チップと前述の演算部とを組み合わせれば、さらに分離度を向上させることができる。
【００２４】
図２に示される例も、２種類の波長帯を分離する例であったが、３種類以上の波長帯を分離する場合も、前述と同様に行うことができる。さらに、積層される半導体層間にＳｉＯ2 などの絶縁膜を介在させたり、隣接するフィルターの境界部の半導体積層部をエッチングすることにより、各受光部間を電気的に分離することができる。
【００２５】
図３は、本発明の受光素子を用いた光通信用モジュールの構成例を示す図である。すなわち、図３に示される例では、発光素子１をマウントする傾斜面と発光素子の発光面Ａと対向するように受光素子２をマウントする傾斜面が一体に形成されたヘッダ６に発光素子１および受光素子２をマウントすることにより、簡単に組み立てられ、しかも発光素子に光を直接集光レンズ４を介して光伝送路５に結合させ、光伝送路５からの受信信号光は発光面Ａで反射させて受光素子２により受光するようにしたものである。この受光素子２に前述の構成の受光素子２を使用することにより、光伝送路５から１.３μｍ帯および１.５５μｍ帯の多重光信号が伝送されてきても、必要な周波数帯の信号のみを受信することができる。なお、Ｂは光ビームを示しており、発光素子１はシリコンからなるサブマウント１ｂにレーザダイオードチップ１ａがダイボンディングされて形成され、ヘッダ６はリード８が固定されたステム７に固着されている。そして、その周囲は図示しないキャップなどによりシールされて、集光レンズ４および光伝送路５と光軸が一致するように取り付けられる構造になっている。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、多重光通信により送られてくる２以上の波長帯の光信号を非常に精度よく分離しながら、コンパクトな受光素子が得られ、光通信用モジュールに使用した場合、小形で安価な光通信用モジュールが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の波長分離型受光素子の一実施形態の説明図である。
【図２】本発明の波長分離型受光素子の他の実施形態の説明図である。
【図３】本発明の受光素子を用いた光通信用モジュールの一例の説明図である。
【図４】従来の多重光通信における異なる波長帯の信号を受信する例の説明図である。
【符号の説明】
２    受光部
２ａ  第１の受光部
２ｂ  第２の受光部
９    演算部
【図１】
0003881429.tif 000003
【図２】
0003881429.tif 000004
【図３】
0003881429.tif 000005
【図４】
0003881429.tif 000006