(57)【要約】本発明は、ＬＤの光量をモニタＰＤによって監視し、フィードバックしてＬＤのパワーを一定に保持するようにした光送信器において、より多くのＬＤの光量をモニタＰＤに入力できるようにしつつ小型化・低コスト化に好適の装置を提案し、さらにより高速送信が可能な装置を提案することを目的とするもので、基板に凹溝を備え、凹溝の傾斜面にモニタフォトダイオードを取り付け、対向して水平に設けられるＬＤの光をモニタフォトダイオードが直接、受光するようにすることを特徴とする。
2002063730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹溝を備えた基板と、基板の上に配置され、前方に送信光を、後方にモニタ光を発生する半導体レーザと、凹溝の斜面部に配置され、半導体レーザの後方モニタ光を感受するべきモニタフォトダイオードとよりなり、半導体レーザの後方モニタ光が直接モニタフォトダイオードの受光面に入光するように、モニタフォトダイオードの受光面が半導体レーザの放射光の光軸を含み基板表面に平行な面に対して斜めに配置されていることを特徴とする光送信器。
【請求項２】
半導体レーザの放射光の光軸とモニタフォトダイオードの受光面の中心が略一致するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の光送信器。
【請求項３】
凹溝がダイシングによって機械的に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光送信器。
【請求項４】
基板がＳｉ単結晶基板であり、凹溝がエッチングによってＳｉ基板上に形成されている事を特徴とする請求項１または２に記載の光送信器。
【請求項５】
半導体レーザと凹溝とモニタフォトダイオードの受光面を含む空間が透光性の樹脂によって覆われていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の光送信器。
【請求項６】
半導体レーザの放射光の光軸を含み、基板表面に平行な面に対して、モニタフォトダイオード受光面の傾斜角が１５度から５０度になるよう配置された請求項１〜５の何れかに記載の光送信器。
【請求項７】
モニタフォトダイオードの受光面に反射防止膜を形成した事を特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の光送信器。
【請求項８】
半導体レーザがＩｎＧａＡｓＰ系の結晶からなり、モニタフォトダイオードがＩｎＧａＡｓ若しくはＩｎＧａＡｓＰ系の結晶からなることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の光送信器。
【請求項９】
モニタフォトダイオードの後方（モニタフォトダイオードを中心に見て、半導体レーザの反対側）に半導体レーザの駆動素子を配置した事を特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の光送信器。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、半導体レーザとモニタフォトダイオードを内蔵した光通信用光送信器に関するものである。特にモニタフォトダイオードの配置を工夫することにより小型低コストの光送信器を実現したものである。
背景技術
現在最も広く利用されている光送信器は、円筒形金属パッケージに送信光を発するＬＤ、ＬＤ出力を監視するモニタＰＤ、送信光を集光してファイバに入射させるレンズ、レンズを保持するキャップを収容した三次元構造を有するものである。
図１、図２、図３に従来の光送信器を示す。円盤状の金属製ステム１の上に、縦型のポール２が形成される。ポール２の内側の側面にはサブマウント３を介して信号光を発生する半導体レーザ（ＬＤ）４が横向きに固定される。半導体レーザの直下に当たる位置に、モニタフォトダイオード（モニタＰＤ）５が設けられる。これはサブマウント６によってステム１と絶縁される。リードピン７〜９がステムの底部から下方へ突出している。ワイヤ１０、１１によってモニタＰＤ５やＬＤ４の電極とリードピンが接続される。半導体レーザ４の直上にはレンズ１２がある。これは球レンズであって円筒形のキャップ１３によって保持される。その上に光ファイバ１４が設けられる。
実際には光ファイバ１４を円筒形の細いフェルールで保持し、円筒形金属のフェルールホルダーがフェルールを支持するようになっている。金属製フェルールホルダーはステム１の上面に半田付けされる。金属製ステムと金属製フェルールホルダーが金属パッケージを構成する。金属パッケージは気密封止されており不活性ガスが充填されている。
そのような金属パッケージの外殻部分は図示を略している。半導体レーザ４は両端面から光を放出する。前方光１５は信号光であり、後方光１６はモニタ光である。
半導体レーザ４にあっては、前方光１５の光量と後方光１６の光量との比率は一定なので、半導体レーザ４の後方光１６をモニタフォトダイオード５で受光し、その光電流出力が一定になるように、半導体レーザ４の駆動回路を制御することにより、半導体レーザ４の送信光１５（前方光）のパワー平均値を常に一定に保つようにすることができる。ＬＤ光量は長い間には変動するから、これを監視するモニタフォトダイオード（モニタＰＤ）は光送信器には不可欠である。
図１〜３に示した光送信器では、金属製のパッケージを使っているから気密封止性に優れ発光出力も充分でありモニタ光量も充分である。しかし、三次元構造を有するものなので、レンズ付きキャップ１３や光ファイバの位置について調芯しなければならない。組立に時間がかかるので組立コストが嵩む。集光のためにレンズを用いており、さらに同軸型の金属製パッケージを使っている。そのため小型化、低コスト化に限界がある。
調芯の不要な二次元的な構造をもつ光通信装置が研究されている。基板上に平面導波路を設けるので表面実装型光通信装置と言う。二次元的構成で小型であり光路は短いからレンズは不要で時間の掛かる調芯作業も不要である。部品コスト、組立コストを低減できる可能性がある。小型化・低コスト化という目的にはぴったりのタイプの光通信装置である。表面実装型送信器の場合でも、信号光を発するＬＤの光が変動してはいけないから必ずモニタＰＤでＬＤ光量を監視するようになっている。
ＬＤの光をモニタするためのＰＤとして、端面入射が可能なＰＤを用いると、高さを合わせてＬＤとモニタＰＤを基板の上にそのまま搭載すればよい。そのようなものとして導波路型のＰＤとか、端面を傾斜面にした端面入射型ＰＤというものがある。ＬＤもＰＤもエピタキシャル面を基板側に向けて基板に取り付けると高さを合わすことができる。ＬＤから水平に出た後方光はそのままＰＤの端面に入射しＰＤにモニタ光電流を発生することができる。
しかしこれらのＰＤは特殊なＰＤであって製造が難しい。さらにこれらのＰＤを使うと、有効な入射面積があまりに狭いのでＬＤの光の一部しかＰＤに入らない。つまりＬＤの結合効率が低くモニタ光量が微弱だという難点がある。ＰＤの感度を上げるかＬＤの後方光量を増やすかしないと正確なモニタができない。
低コスト化のためには、やはり、製造容易な裏面入射型ＰＤや上面入射型ＰＤをモニタフォトダイオードとして利用する必要がある。これらは裏面からあるいは上面から光を入れる必要がある。
ＬＤを水平に配置して、ＰＤの裏面からあるいは上面から光を入れるためには、たとえば、ＰＤを横に向けて取り付けることが考えられる。
上面入射型の場合、基板にポールを立ててその側面にＰＤを横向けにして付けるというようにできる。そうすればＬＤの後方光（モニタ光）をＰＤの上面直角に入れることができる。裏面入射型の場合も、基板にポールを立てて裏面から光が入射するようにしてポールに裏面入射型ＰＤを張り付けるというようにできる。しかしそうするにはポールを基板に取り付ける必要があり基板構造が複雑になる。ＬＤから出た光が、空間を長く伝搬するから放射状に広がるため、これを絞るためのレンズが必要になることもあろう。さらに配線パターンも複雑になり部品点数や工数が増え表面実装型の長所を減殺することになってしまう。基板にポールを立てて素子構造を複雑にすることは低コスト化のねらいに反するものである。
ＬＤを水平に配置し、かつ、基板面に水平の裏面入射型ＰＤをモニタＰＤとする場合は、ＬＤの光をＰＤ裏面に導くための工夫が必要である。たとえば
▲１▼ドイツ特許ＤＥ４３１３４９２Ｃ１には、エピタキシャル面を基板側に向けて基板面に取り付けたＬＤのすぐ後方の基板面にＶ溝を掘りＶ溝にまたがるように裏面入射型ＰＤをモニタＰＤとして設けたものが開示されている。ＬＤの後方光がＶ溝で反射されて上方へ転じＰＤの裏面からＰＤの受光部まで到達するようになっている。これはＬＤとＰＤの間にＶ溝を掘るだけでＬＤとＰＤを結合させている。しかしこのような表面実装型ＬＤモジュール（光送信器）はＬＤの後方光の上半分に向かう光がＰＤに入らない。ＬＤ後方光の半分以下しかＰＤに向かわないので結合効率が良くないという欠点がある。
▲２▼特開平１０−３４１０６２号公報には、窪みと面取り部、段部を設けた複雑な形状の基板にＬＤとＰＤを水平に取り付け、ＬＤの後方光を水平戴置裏面入射型ＰＤに導くようにしたＬＤモジュールが開示されている。図４にその構成を示す。Ｓｉ基板１７は単結晶Ｓｉ基板であるが、複雑な形状をしている。中央部に狭い台地があり、その後ろには三角形の窪み１８が穿ってある。窪み１８の後方の基板裏面は斜めに削った面取り１９となっている。中央の狭い台地には発光素子（ＬＤ）２０が水平に取り付けられる。面取り１９ののすぐ上が高い後高部２１となっている。
後高部２１は水平であり、ここに裏面入射型モニタフォトダイオード２２が実装される。三角断面の窪み１８の後半面にはＡＲコーティング（反射防止膜）２３がなされている。後方斜めの面取り１９には金属コーティング（反射鏡）２４が形成される。ＬＤ２０の前方にはＶ溝があって、ここに光ファイバ２５が挿入固定される。ＬＤ（発光素子）２０は前方光（信号光）と後方光（モニタ光）を出す。両者のパワー比は一定である。
信号光（前方光）２９は光ファイバ２５に入り伝搬してゆく。モニタ光（後方光）２８は窪み１８を下向きに進みＡＲコーティング２３を通って基板内に入り基板内を進み裏面の金属コーティング２４によって反射されモニタフォトダイオード（ＰＤ）２２の裏面から入り、これによって感知される。ＰＤ２２によってモニタ光を監視することにより信号光の大きさがわかる。経年変化によってＬＤ光が減少するとモニタ光によってそれがわかるからＬＤ駆動用電流をその分だけ増やしてＬＤの信号光強度を一定に保持する。これはモニタ光をＳｉ基板に通すようにしたもので斬新なアイデアを示している。
Ｓｉは可視光には不透明だが、１．３μｍや１．５５μｍである信号光に対しては透明に近いから発光素子２０の後方光をＳｉ基板の内部に通すこともできるわけである。そのような表面実装型モジュールはかつてなかったものである。しかも基板１７の底面を斜めに面取り（符号１９）してミラー（金属コーティング）２４を加工し、これでモニタ光を上方へ反射させるというのは斯界技術者の意表を付いた巧みな構成である。こうすることによって水平に基板に取り付けたＰＤの裏面に、ＬＤの後方光２８を導くことができる。基板に水平にチップを取り付け、水平ＬＤから水平ＰＤに光を導くようにしたところにこの提案の着想の妙がある。
この方式は、表面実装技術を生かして、一つの小型ベンチ上に光ファイバと半導体レーザと、モニタフォトダイオードを連続的に実装でき、レンズも不要で、小型化、低コスト化を推進できる可能性のある有望な候補である。
しかし、この方式の場合、Ｓｉベンチに窪みと面取り部を加工しなければならない。Ｓｉベンチの加工が複雑である、という難点がある。ＬＤ２０の戴置される中間部より、ＰＤが戴置される後高部２１は高さが高いので、そのように段差を加工しなければならない。また中間部には窪み１８を加工し、基板の後ろ裏面には面取り部１９とミラー２４を作製しなければならない。特に、後端面取り１９の斜め加工と金属反射膜２４の加工は工数を増大させる。困難な加工がモジュールの製作コストを大幅に引き上げてしまう。
それ以外にもう一つの欠点がある。それは、従来例▲１▼以上にＬＤ２０とＰＤ２２の結合が低いということである。ＬＤ２０の後方光２８のほんの一部しかモニタフォトダイオード２２に入らないということである。
それは極めて簡単な幾何光学的考察によって分かる。ＬＤ２０の後方光の出射点をＬ２とする。裏面入射型ＰＤ２２の底辺をＣＧとしてＣＧの中点をＮとする。ミラー辺をＥＦとする。ＬＤ２０から出た後方光２８が軸線となす下向き角をφとする。下向き角φは変数である。後方光の内ＰＤの中点Ｎに入る光線がミラー２４で反射される点をＭとする。ＭはＥＦのほぼ中心にあるが中点ではない。ミラー面の傾き角をβとする。βは定数である。この図ではＰＤの中点Ｎに入射する光はＰＤ底面に垂直であるようにしている。ミラーの中間点Ｍにおいて横向きにｘ軸、縦向きにｙ軸をとる。ＬＤ２０の後方光の出射点Ｌ２とミラー中間点Ｍの水平距離をｓ、垂直距離をｈとする。ミラー中間点ＭとＰＤ中点Ｎの距離をｋとする。ｋ＞ｈである。βの傾き角をなすミラー面は、一次式
2002063730.tif 000003
によって表現される。ＰＤの裏面はｙ＝ｋによって表される。
ＬＤからφ０＝ｃｏｔ−１（ｓ／ｈ）の出射角で出た光線がミラー中間点Ｍ（０，０）で反射されてＰＤの裏面の中点Ｎ（０，ｋ）に入る。ビームはφ＝０で最大でその廻りにガウシアン分布するであろうが、φ０の近傍でもある程度の強度を持つ。Ｍ点での反射角はミラー傾き角βに等しく、またＭ点での入射角はπ／２−（φ０＋β）であるから、これを等しいとおくと、
2002063730.tif 000004
である。ＰＤ底面の任意の一点（ｘ，ｋ）に入射する光線のＬＤでの出射角φは、
2002063730.tif 000005
によって与えられる。ｋ＋ｑが長いから出射角φの狭い範囲の光だけがＰＤに入るということがわかる。この時（３）式はφ−φ０≒ｘ／（ｋ＋ｑ）と近似できる。すると、ＰＤの受光部の有効直径をＤとすると、ＰＤに感受される出射角φの範囲は、
2002063730.tif 000006
である。ＰＤの有効直径Ｄを２００μｍ、ｋ＋ｑ＝３０００μｍとすると、｜φ−φ０｜は０．０３２ラジアン＝２度となる。φ０が例えば１０度とすると、出射角が８度〜１２度の後方光しかＰＤに入らないということである。ＬＤの縦方向のビーム広がりは２０〜３０度程度あるがそのうちの極めて限られた方向のビームだけがＰＤに入るということである。
また、何よりも最も強い０度付近のＬＤ光が捉えられない。従って、ＬＤの後方光は殆どが無駄になる。ＰＤとＬＤの結合が低いということがわかる。
従来例▲２▼は、半導体レーザもモニタフォトダイオードも水平に実装しなければならないという先入観に捕らわれている。チップが基板面に水平であれば、チップ実装もワイヤボンディングも楽である。だから、図４のような構成にならざるを得ない。
しかし表面実装の技術をさらに生かすためには、よりシンプルなモニタフォトダイオードの配置が望ましい。つまり数多くの溝を掘ったりミラーを形成したり反射防止膜を作製したりしないような簡便な構造が好ましい。それにＬＤとＰＤの結合をより高めてＬＤの後方光の大部分をＰＤに入射できるようなものが望まれる。
▲３▼特開平９−２６５２９号公報には、その図９に光ファイバの信号光を斜めに固定したレンズ付き裏面入射型ＰＤで受光するものが開示されている。しかし、これはモニタＰＤでなく信号受信用のＰＤの受光である。従って、応答速度が早いことが必要であり、そのためには、受光面を大きくすることができない。図９に於いても、半径３０μｍの受光面が示されている。その小さい受光面に光をあつめるためにレンズを付けることが不可欠である。このようにＰＤの受光面に焦点が合致するようにレンズを付けるのは加工が難しい。さらに光ファイバは安定に位置決めできないから調芯する必要があり、調芯しても位置がずれることもある。コストを低減できない構造である。光ファイバでは衝撃、温度変化、圧力変化により偏波面が回転する。偏波面依存性の強い傾斜面入射方式では、偏波面回転の影響を受けて感度が著しく変動するという難点がある。
発明の開示
本発明は、ＬＤの光量をモニタ用ＰＤによって監視し、フィードバックしてＬＤのパワーを一定に保持するようにした光送信器において、前述した従来例の欠点を解消し、より多くのＬＤの光量をモニタＰＤに入力できるようにしつつ小型化・低コスト化に好適の装置を提案し、さらにより高速送信が可能な装置を提案することを目的とするもので、基板に凹溝を備え、凹溝の傾斜面にモニタフォトダイオードを取り付け、対向して水平に設けられるＬＤの光をモニタフォトダイオードが直接、受光するようにすることを特徴とする。但し、モニタフォトダイオードには、後に述べる反射防止膜付きのものを含むものとする。
本発明者等は、モニタフォトダイオードは必ずしも、水平にする必要がないということに気付いた。水平にするのは、ボンディングするにはチップが水平でないといけないという先入観があったからである。しかし、ＰＤが水平でなくても傾斜面にダイボンディングすることは可能である。また傾いた電極パッドと基板メタライズをワイヤボンディングすることも工夫によっては可能である。やりかたによっては、ダイボンディングとワイヤボンディングは傾斜チップに対しても行うことができる。
チップを基板面に水平に保持しなくても良いならモニタフォトダイオード保持に関する自由度が高まる。つまり傾けて固定するという自由度が発生する。傾けられるという自由度があると、より単純なＰＤの保持構造が可能となる。
本発明は、Ｓｉ基板に斜め壁を有する凹溝を加工し、ＬＤに対向する凹溝の斜面にモニタフォトダイオードを取り付け半導体レーザの後方光を直接にモニタフォトダイオード（モニタＰＤ）に入射するようにしている。ここでいう直接とは、レンズやミラーなどの光学系を介しないという意味であり、ＬＤの後方光は反射されず直接にモニタＰＤに入るようにする。だからＬＤ後方光の大部分をモニタＰＤに入力させることができる。モニタＰＤとＬＤの結合効率が著しく高揚する。ＬＤの光量変動をより鋭敏にとらえる事ができ、より精密にＬＤパワーを制御することができる。ＬＤとモニタＰＤの距離を短かくし、かつ、モニタＰＤとして、比較的受光面積の大きいものを使用することにより、レンズのような集光手段を不要にすることができる。モニタするのに必要なのは、受光量の平均値なので、応答速度はそれほど速くなくてもよく、比較的受光面積の大きいＰＤを使用することができる。また、ＬＤとモニタＰＤの距離が短いのでモジュール全体をより小型にすることができる。反射壁、ミラーを加工する必要がないから製造コストを低減することができる。
本発明のポイントはモニタ用ＰＤを所定の傾斜角度で斜めに取り付け、ＬＤ後方光を直接、斜めのモニタＰＤに入れたというところにある。
ここでいう傾斜角度とは、ＬＤの後方光の光軸を含み基板表面と平行な面と、ＰＤの受光面とのなす角のこととし、傾斜角度αとする。
傾斜角度αがあまりに小さいと、受光面の見込み角が小さくなり、入射光量が著しく減少する。特に傾斜面では、受光量に対する偏光方向依存性が顕著になり実用上使用しにくくなる。逆に、傾斜角度αがあまりに大きいと、ＰＤの受光面側の電極への導通用ワイヤボンディングが難しくなる。
従ってモニタフォトダイオードの傾斜角は１５度〜５０度の範囲が望ましい。モニタＰＤを斜めに取り付けたという点で従来の如何なるモジュールとも異なる。斜め実装であるから裏面入射型ＰＤや上面入射型ＰＤを利用できる。結合効率は格段に優れる。
傾斜壁を作るための加工が必要であるが先行技術の▲１▼や▲２▼よりも簡単な工程である。ＬＤ、モニタＰＤ、凹溝はＬＤ光に対して透明の樹脂で覆うようにする。これはＬＤ、モニタＰＤと近似した屈折率をもつような透光性樹脂が適する。透光性樹脂の外側は外形を決め気蜜封止できるエポキシ樹脂などによって封止する。
以上に述べた通り、本発明は、ＬＤのすぐ後方に凹溝を備え、凹溝壁にモニタＰＤを斜めに固定しＬＤ後方光を、直接斜めのモニタＰＤに導くようにしている。ＬＤパワーの大部分をモニタＰＤが受けるようにできるから安定したＬＤ制御ができる。ＬＤのすぐ近傍にモニタＰＤを置き、受光面積が比較的大きいモニタＰＤを用いるからレンズは不要である。構造は簡単であるから、より少ない部品と、簡便な工程で、光送信器が製造できる。小型化、低コスト化が可能となる。モニタ電流も安定に得られ、且つドライバＩＣと直結することにより、高速送信も可能となる。
ワイヤボンディングが問題であるが、斜めのメタライズ面にワイヤボンディングする技術もすでに存在する。そのような構造の素子は製造可能である。
発明を実施するための最良の形態
図５を用いて、本発明の光送信器の構造を説明する。平坦な基板３０の中央部付近に凹溝３１が備えられている。凹溝３１の前には平坦な前平面３２がある。前平面３２のさらに前方には光ファイバを固定するためのＶ溝３３が設けられる。凹溝３１の後方には、後平面３４がある。凹溝３１は前傾斜面３５、中平面３６、後傾斜面３７を有する。
半導体レーザ３８は凹溝３１のすぐ前の前平面３２に水平に固定される。これは発光部３９を基板の側に向けて取り付ける。発光部３９を基板の側に向けて取り付けるのは光ファイバとの軸合わせを容易にするためである。
モニタフォトダイオード４０は、凹溝３１の後傾斜面３７に斜めに固定してある。ＬＤ３８の方を向いて、所定の傾斜角度で、斜めに固定するということが本発明では重要なことである。傾斜角度αがあまりに小さいと、受光面の見込み角が小さくなり、入射光量が著しく減少する。特に傾斜面では、受光量に対する偏光方向依存性が顕著になり実用上使用しにくくなる。逆に、傾斜角度αがあまりに大きいと、ＰＤの受光面側の電極への導通用ワイヤボンディングが難しくなる。従ってモニタフォトダイオードの傾斜角は１５度〜５０度の範囲が望ましい。
モニタフォトダイオード（ＰＤ）４０は裏面入射型でも上面入射型でもよい。半導体レーザ（ＬＤ）３８の先方のＶ溝３３には光ファイバ４３が取り付けられる。基板面にはＬＤ３８、ＰＤ４０につながるメタライズ配線パターンが印刷され、メタライズパターンとＬＤ３８、ＰＤ４０はダイボンディングやワイヤボンディングによって接続されている。ここでは配線パターンやワイヤの図示を省略した。
半導体レーザ３８、光ファイバ４３、凹溝３１、モニタフォトダイオード４０の近傍は、ＬＤ３８が発する光に対して透明な樹脂４４によって覆われている。図５では光は空間伝搬するのではなく樹脂内を伝搬する。もちろん樹脂のない構成でも本発明は有効であるが、樹脂があるとＬＤ光の広がりが狭くなり、より有効な構成となる。透光性樹脂をポッティング樹脂と呼ぶこともある。透明樹脂の屈折率はＬＤ３８やＰＤ４０の屈折率に近い方が良い。ＬＤ、ＰＤはＩｎＰ基板の上に成長させたＩｎＧａＡｓＰ、ＩｎＧａＡｓ層をもち、これが光の授受にあたる。
透光性樹脂とＰＤの界面での反射や散乱が起こらないためには、ＰＤの屈折率に等しい屈折率の樹脂が最適である。が、そのような高い屈折率（３を越える）の透光性樹脂は現在存在しない。通常使用されるシリコーン系の透光性樹脂は光ファイバの屈折率に近い屈折率を持った透明樹脂であり、この樹脂の屈折率とＰＤの屈折率の中間の屈折率値を有する反射防止膜をＰＤの表面に形成することが望ましい。
図示していないが、この基板をさらに多数のリードをもつリードフレームに接合する。メタライズパターンと対応するリードをワイヤボンディングによって結合する。さらに全体を強固な固定用樹脂によって覆う。例えば、エポキシ樹脂のような気密性、剛性に優れた樹脂を用いる。外郭をなすパッケージが別にある場合は、パッケージに収容して固定用樹脂で固定する構造となる。その場合は、透光性樹脂、固定用樹脂、パッケージの３層被覆構造となる。
あるいはエポキシ樹脂そのものを外郭をなすパッケージにする樹脂モールド型としてもよい。その場合は、透光性樹脂と固定用樹脂の２層樹脂構造となる。外部には複数のピンと光ファイバあるいはフェルールが突出した形状の光送信器（ＬＤモジュール）となる。
半導体レーザ（ＬＤ）３８は駆動用ＩＣ４２によって信号によって変調されたパルス電流が与えられる。ＬＤ３８は前後に一定の比率で光を発生する。前方光４８は信号光であって光ファイバを通って外部へ送信される。後方光４７はモニタ光であって後方のモニタＰＤ４０に斜め入射する。ここで光電流に変換され平均値が求められてＬＤの駆動用ＩＣにフィードバックされてＬＤの出力光のレベルを一定に保持する。
基板は、Ｓｉ基板、セラミック基板、プラスチック基板等任意のものを用いることができる。凹溝やＶ溝は材質によって異なる手段で製作される。単結晶Ｓｉ基板の場合は異方性エッチングによって凹溝やＶ溝を製造できる。その場合凹溝の傾斜角は結晶方位によって限定される。セラミック基板の場合はダイシングによって機械的に凹溝やＶ溝を製作する。高分子（プラスチック）基板の場合は、射出成形や圧縮成形によって凹溝やＶ溝などを自在に形成することができる。
図６に示すように、凹溝の深さｇはＰＤチップ４０の大きさによって変わる。ＰＤチップの幅をａ、側辺の長さをｂ、厚みをｔとする。傾斜角をαとする。このαというのは水平面からの傾斜角である。もしも上面入射型であり、上面の中央点に、ＬＤからの後方光の水平光が入るべきであるとすれば、次のようにＰＤの位置が決まる。ＬＤの発光部の高さをｚ＝０とする。そしてＰＤの上面の中央を原点Ｏとする。ｘ軸をＰＤからＬＤに向かう方向に取る。
ＰＤはαだけ傾斜しているから、上面の前端（ＬＤ側）点Ｅ、中央点Ｏ、後端点Ｆのｘ，ｚ座標は、
2002063730.tif 000007
ＰＤは厚みがｔであるから下面の前端（ＬＤ側）点Ｇ、中央点Ｊ、後端点Ｋののｘ，ｚ座標は、
2002063730.tif 000008
となる。下面の前端点Ｇの深さｚｇが凹溝の深さｇより浅ければＰＤを斜面に固定することができる。レーザの発光点の高さをｚ＝０として選んでいるから、基板面からの発光点の高さをεとして、
2002063730.tif 000009
であれば後ろ斜面にＰＤを固定できる。
ＬＤの後方光の丁度中心部（出射角φ＝０）の光が、ＰＤの丁度中点Ｏに入射するので傾斜角αが大きい場合は、ＬＤの光の殆どを入射させることができる。傾斜角αが減ってくるとＰＤへ入る光量はｓｉｎαの減少とともに減少する。しかし中央部の光が常にＰＤに入力するという特質は保持される。
ただし屈折率の差があるから表面である程度の光は反射される。反射量は傾斜角αが９０度から離れるに従って増大する。
しかしＬＤ３８とモニタＰＤ４０の距離が短いからビームの広がりが少なく狭い面積でも多くの光量を入射させることができる。
［ガウシアンビームの中央部分をＰＤに入力できること］
本発明は、ＬＤの後方光の中心にＰＤの受光部の中心を合わせることができる。ＰＤの受光部の半径をｑ（例えば１００μｍ程度）とすると、ＬＤ後方光の中心からみれば、受光部は楕円に見える。横方向をｙ軸に縦方向をｚ軸に取ると、受光部は
2002063730.tif 000010
のような楕円分布をする。この楕円の面積はπｑ２ｓｉｎαである。ＬＤからＰＤ中心までの距離をｋとする（例えばｋ＝４５０μｍ）。ＬＤ後方光はｙ方向にξｙ、ｚ方向にξｚの標準偏差角をもつガウシアンビームだと仮定すると、距離ｋにおいてｙｚ面に投影した距離標準偏差はξｙｋ、ξｚｋとなる。これはビーム広がり角に比例する。ＬＤの発光ストライプに直交する縦方向（ｚ方向）の広がりの方が一般に大きい。距離ｋでの微分領域ｄｙｄｚでの後方光パワーｄＰ（ｙ，ｚ）はガウシアンビームの近似で
2002063730.tif 000011
この式を（１６）の楕円の範囲内で積分したものが、ＬＤの後方光のうちＰＤの受光部に当たる光量を与える。これはコンピュータによって簡単に計算できる。後に、表、グラフで「反射なし」として示すのはこの量を言う。αが大きくなると積分面積はｓｉｎαに比例して大きくなるから光量Ｐが大きくなるということがわかる。
従来例▲２▼はＬＤの後方光の非中心光の一部だけがＰＤに入る。図１０はそのようなＬＤビームのガウシアン角分布と、そのうちＰＤに入る光を斜線部によって示す。図１１はそれに対して本発明の場合のＬＤガウシアンビームと、その内ＰＤに入る部分の光を斜線部によって示している。
本発明の方がＰＤに入る光量が多い。中心部の光がＰＤに入る。ただに光量が多いということだけではない。ＬＤ全体パワー変化を知るためには、ＬＤの中心部の光量変化を監視しないといけないということがある。温度や発振状態によって、周辺部の分布は大きく変動する。標準偏差角も温度や経年変化によって変わる。つまりビームの周辺分布は中心部分布に比較して変動しやすい。だから従来例▲２▼のように周辺部の１０°あたりの部分を見ていては正確に全体の光量変動を知る事ができない。時にＬＤ光量変化を誤解することがある。ＬＤビームの中心部を常にカバーする本発明の方がモニタとして格段に優れていることがわかる。
斜めＰＤに当たったＬＤ後方光がどの程度ＰＤの受光部に入るかを受光効率として具体的に求めて見ることにする。
「反射なし」の場合は、前に述べた通り、式（１６）、（１７）を用いて計算することができる。
「反射あり」の場合については、傾斜面での屈折と反射の考察が必要である。
斜めＰＤに当たったＬＤ後方光の全部が、ＰＤの受光部にまで入るわけではない。界面では反射と屈折がともなうからである。Ｓ波の場合と、Ｐ波の場合で屈折と反射の関係が少し異なる。半導体レーザのストライプから出る光は多くの場合横向きの電場を持っている。縦向き電場はわずかである。ストライプ面に対してＰＤを傾斜角αで設けるので、ＰＤでの屈折・反射はＳ波が殆どだということになる。図１２はＳ波の、図１３はＰ波の電界Ｅ、磁界Ｈの方向を例示している。同様な関係があるから図１２のＳ波の場合について説明する。
媒質１と媒質２が界面で接触しているとする。それぞれの誘電率をε１、ε２、透磁率をμ１、μ２とする。界面に立てた法線（ｚ軸）と入射光が成す角を（入射角）θ１、反射光が成す角を（反射角）θ１として、屈折光が法線に対する角度（屈折角）をθ２とする。
誘電率εと透磁率μの積の平方根は屈折率ｎと呼ばれる。媒質１、２の屈折率を、ｎ１＝（ε１μ１）１／２、および、ｎ２＝（ε２μ２）１／２のように定義する。
Ｓ波なので図１２において電界成分がｘｚ成分を持たない。つまり電界はｙ方向成分（紙面に直交する）しか持たない。磁界は進行方向のベクトルＫと、電界に直交し、しかもＥ、Ｈ、Ｋが右ネジ関係にある。つまり外積Ｅ×Ｈが、進行方向ベクトルＫと平行である。外積Ｈ×ＫがＥと平行だということもできる。だから入射光の電界Ｅ１、反射光の電界Ｅｒ、屈折光の電界Ｅ２をｙ軸方向に正としてとると、入射光磁界Ｈ１は斜め下向き、反射光磁界Ｈｒも斜め下向き、屈折光磁界Ｈ２も斜め下向きのベクトルとなる。
この図に従ってＰＤへの透過率を求めることができる。
「反射ありで、反射防止膜なし」の場合、Ｔ０（透過率）は、次の式（１８）により求めることができる。但し、Ｍ＝ｎ２／ｎ１とする。
2002063730.tif 000012
これを、式（１９）に代入して計算することにより  受光効率Ｗ（α）を求めることができる。
2002063730.tif 000013
積分の範囲はαの前後でのφの範囲である。
これは厳密に計算する場合だが、傾斜角θ１は大体αであるから、θ１＝αとしてＴ０を一定値と考え、次の式（２０）で近似的にＷ（α）を求めることもできる。
2002063730.tif 000014
「反射ありで、反射防止膜あり」の場合についてＷ（α）を求める．
ＰＤチップの上に反射防止膜を設けるとさらにＰＤへの光の入射を推進できよう。一層の反射防止膜を形成することを考える。図９によって説明する。透光性樹脂（屈折率ｎ１）から、反射防止膜（屈折率ｎ２）に傾斜角αでＬＤ光が入るとする。反射防止膜の下地はＰＤであり、これの屈折率をｎ３とする。反射防止膜であるから、ｎ２はｎ１とｎ３の中間の屈折率をもつ。反射防止膜というのは完全に反射を防ぐものではない。膜の表面での反射光と膜と下地との境界での反射光の位相が１８０°異なるという条件によって設計される。反射防止膜とαの傾斜をなすＬＤの光Ｌが反射防止膜のＡ点で反射されてＬＡＱと進むとする。Ａ点で反射防止膜内部に入りＰＤ（屈折率ｎ３）の表面で反射されてＬＡＢＣＳと進む光線もある。表面反射光の光路ＡＤと、内部反射光の光路ＡＢＣの光路長の差ΔＬが光の半波長λ／２であるべきだという条件を与える。これは反射光が互いに打ち消し合うという条件である。それは反射防止膜の厚みを決める条件となる。光路長というのは長さに屈折率を掛けたものである。
このような反射防止膜をＰＤ面に形成するとＰＤに入る光量は増える筈である。ただし反射防止膜といっても完全に反射を防止できるわけでなく、したがって全部の光がＰＤの内部に入るわけでない。Ｎ１＝ｎ１ｃｏｓθ１、Ｎ３＝ｎ３ｃｏｓθ３とし、次に示すＳ１を用いて、式（２２）でＴ１を求め、これを、式（２３）に代入して計算することによりＷ（α）を求めることができる。
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しかし傾斜角θ１は大体αであるから、θ１＝αとしてＴ１を一定値と考え、「反射ありで、反射防止膜なし」の場合と同様、次の式（２４）で近似的にＷ（α）を求めることもできる。
2002063730.tif 000016
以上に述べた計算式に、具体的条件を入れて、コンピュータで計算した例を表１に示す。また、図７にそのグラフを示す。
用いた具体的条件とは、ＬＤ波長は１．３μｍ、ＰＤ受光径は２００μｍ（０．２ｍｍ）、ＬＤ後端面とＰＤ表面中心点までの距離ｋ＝４００μｍ、ＰＤの屈折率３．５、透光性樹脂の屈折率１．４６、反射防止膜の屈折率１．８という条件である。
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［実施例１；α＝４５°（上面入射型ＰＤ）（図５、６）］
図５の構造のモジュールを作製した。ここで用いた基板は、長さ４ｍｍ、幅３ｍｍ、厚み１．２ｍｍの、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）のセラミック基板である。
まず基板に光ファイバの固定溝３３、半導体レーザ（ＬＤ）を固定するメタライズパターン、モニタフォトダイオード（ＰＤ）を固定するための凹溝３１を設ける。メタライズパターンは印刷、蒸着、あるいはスパッタリングによって作製する。基板の後半部分があいているから駆動用ＩＣを取り付ける余地がある。ドライバＩＣ４２を取り付ける場合は、ドライバＩＣ用のメタライズパターンをも設ける。ドライバＩＣを取り付けるとＬＤまでの距離が極めて短いから５Ｇｂｐｓ〜１０Ｇｂｐｓの高速送信にも利用できる。しかしドライバＩＣは省く事もできる。その場合は外部に駆動用ＩＣがあるからリードを通じて駆動用（ドライバ）ＩＣとＬＤが接続されるようになる。
溝（Ｖ溝３３、凹溝３１）形成は、基板材料がアルミナのようなセラミックの場合は、ダイシング（機械加工）によって溝加工を行うことが可能である。Ｓｉの単結晶基板の場合はケミカルエッチングによって溝形成を行う事ができる。高分子基板の場合は圧縮成形、射出成形によって溝形成を行うことができる。
メタライズパターンは印刷でも形成できる。それ以外に例えばＡｕ−Ｃｒの２層構造とする場合は、蒸着やスパッタリングによってクロム層（Ｃｒ）を被覆し、Ｃｒ薄膜の上にＡｕメッキしてＡｕ／Ｃｒメタライズパターンとするなどの方法がある。
用いた半導体レーザはＩｎＧａＡｓＰを発光層とする発光波長１．３μｍのレーザである。チップサイズは、０．３ｍｍ×０．３ｍｍ×０．１２ｍｍｔである。
発光部を、基板側に向けて取り付け、ファイバのコアとセルフアライメントができるようにしている。
モニタフォトダイオードは、ＩｎＧａＡｓのＰＤである。これは１．３μｍ光にも１．５５μｍ光にも感度がある。受光部直径が０．２ｍｍ、チップサイズは０．４ｍｍ×０．４ｍｍ×０．１２ｍｍｔである。受光表面には、４５度入射時に、１．３μｍ光に対して最適になる膜厚でＳｉＮの薄膜（反射防止膜）を蒸着により形成している。モニタフォトダイオードはＩｎＧａＡｓＰのＰＤとすることもできる。
凹溝は、傾斜角（α）４５度としてダイシングで形成した。
図６に溝、ＰＤ、ＬＤ部分の断面図を示す。溝の長さは、約０．６ｍｍ、深さは約０．２５ｍｍである。
図６に示すように、モニタフォトダイオードの受光径の中心がほぼ半導体レーザの後方光の光軸の延長線上にくるようにすると、最も強い光を多く受光し易い。
このモニタフォトダイオードの固定は、エポキシ樹脂でも良いし、下部から電極を取るときは、傾斜面にＡｕのメタライズパターンを付けておいてもよい。モニタフォトダイオードとＬＤの距離が短いから光が広がらない内にＬＤ後方光をＰＤに入射させることができる。またＰＤ、ＬＤの距離が短いからＰＤの後背部が開いてしまう。この後背部を有効に利用することもできる。
例えば、モニタフォトダイオードの後方に半導体レーザ３８をドライブするＩＣ４２を置けば、わずか１ｍｍ程度の至近距離で、ＩＣのドライブ出力端子と、半導体レーザの電極を１本のＡｕワイヤで直結することができる。浮遊容量や寄生インダクタンスの極めて低いドライブ回路となり、５Ｇｂｐｓから１０Ｇｂｐｓといった高周波の送信器に適した構造となる。
これらの要素を全て固定し、Ａｕ線で各チップ間を結線した後、光路やチップを外界から守るために、シリコーン系の透明樹脂４４で全体をポッティングした。この透明樹脂は、チップを保護するという作用の他に、半導体レーザの後方光の広がりを抑え、モニタ電流を増大させる効果もある。
得られた素子の外形は、長さ４ｍｍ×幅３ｍｍ×高さ２．５ｍｍと非常にコンパクトになった。
通常の金属パッケージを用いると、直径７ｍｍから１０ｍｍと太くなり、長さも１５ｍｍから２０ｍｍぐらいで嵩高いものになる。
ところが本発明の構成では、長さが４ｍｍで、かつドライバＩＣまで実装でき、且つ優れて小型になる。
また性能的には、図５の構成で、モニタ電流が平均３００μＡと良好で、５Ｇｂｐｓの高速駆動時も良好な波形が観測された。
［実施例２；α＝４５°（裏面入射型ＰＤ）（図８）］
図８のように裏面入射型ＰＤをモニタフォトダイオードにすることもできる。それ以外は実施例１とほぼ同様にしてモジュールを作製した。
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ＬＤ３８の後方光４７は、ＰＤ４６の裏面に当たり屈折して受光部へ導かれる。ＰＤの屈折率が高いから受光部へ至る光量は多い。ＰＤ裏面にレンズはいらない。性能的には、実施例１と同様、モニタ電流が平均３００μＡと良好で、ＰＤとＬＤの関係は安定しており、５Ｇｂｐｓの高速駆動時も良好な波形が観測された。
【図面の簡単な説明】
図１は、円筒対称の金属パッケージに収容され三次元的構成をもつ従来例にかかる光送信器の外殻部を省略した縦断正面図である。
図２は、円筒対称の金属パッケージに収容され三次元的構成をもつ従来例にかかる光送信器の外殻部を省略した縦断側面図である。
図３は、円筒対称の金属パッケージに収容され三次元的構成をもつ従来例にかかる光送信器の外殻部を省略した横断平面図である。
図４は、特開平１０−３４１０６２号公報に開示されている発光素子モジュールの断面図である。
図５は、上面入射型ＰＤを使う本発明の実施例１にかかる光送信器の縦断面図である。
図６は、本発明の実施例１にかかる光送信器のＬＤ・ＰＤ部分の拡大図である。
図７は、本発明の光送信器において、ＰＤの傾斜角度αとＬＤ・ＰＤの結合効率の関係を示すグラフであり、横軸はＰＤ傾斜角、縦軸は結合効率で、反射なしの場合、反射ありの場合、反射防止膜ありの場合の３つの場合についての計算結果を示している。
図８は、裏面入射型ＰＤを使う本発明の他の実施例２にかかる光送信器の縦断面図である。
図９は、反射防止膜の厚み設計を説明するための図である。
図１０は、特開平１０−３４１０６２号公報に開示された方法に於いてＬＤの後方光の内、モニタ用ＰＤに入力する光の角度分布を示す図で、周辺部の一部の光だけがＰＤに入っている。
図１１は、本発明においてＬＤの後方光の内、モニタＰＤに入力する光の角度分布を示す図で、中心部の光もＰＤに入っている。
図１２は、媒質１、２の境界面におけるＳ波の電界、磁場のベクトルを示す図である。
図１３は、媒質１、２の境界面におけるＰ波の電界、磁場のベクトルを示す図である。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2002063730.tif 000028
【図１１】
2002063730.tif 000029
【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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