JP6228791B2 - 受光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、受光モジュールに関し、特には、受光部に向けて光を集光する技術に関する。

一般に、光通信などに用いられる受光モジュールは、集光レンズと、集光レンズにより集光された光を受光する受光部と、を備えている（特許文献１を参照）。

特開平５−２２４１０１号公報

ところで、従来の受光モジュールでは、集光レンズと受光部の距離に誤差が生じると、受光部で受光する光のスポット径が所望の大きさからずれてしまうことがある。

本発明は、上記実情に鑑みて為されたものであり、集光レンズと受光部の距離の誤差が許容される範囲を向上させることが可能な受光モジュールを提供することを主な目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の受光モジュールは、集光レンズと、前記集光レンズからの光を受光する受光器と、を備える。前記受光器は、前記集光レンズからの光が入射し、透過する半導体基板と、前記半導体基板の前記集光レンズから遠い側に配置され、前記半導体基板を透過した光を受光し、電気信号に変換する受光部と、を含む。前記半導体基板の前記集光レンズに近い側に、前記集光レンズからの光を前記受光部に向けて集光するレンズ面が形成される。

また、本発明の受光モジュールは、複数の集光レンズが配列するレンズアレイと、前記複数の集光レンズからの光をそれぞれ受光する複数の受光器が配列する受光器アレイと、を備える。前記複数の受光器は各々、前記集光レンズからの光が入射し、透過する半導体基板と、前記半導体基板の前記集光レンズから遠い側に配置され、前記半導体基板を透過した光を受光し、電気信号に変換する受光部と、を含む。前記半導体基板の前記集光レンズに近い側に、前記集光レンズからの光を前記受光部に向けて集光するレンズ面が形成される。

また、本発明の受光モジュールの一態様では、前記集光レンズから前記半導体基板を経て前記受光部に至る光の焦点は、前記受光部の受光面から光軸方向に離れている。

また、本発明の受光モジュールの一態様では、前記集光レンズから前記半導体基板を経て前記受光部に至る光の焦点は、前記半導体基板の内側であって、前記レンズ面と前記受光部との間に位置している。

また、本発明の受光モジュールの一態様では、入射した光を相互に波長が異なる複数の光に分波し、前記複数の集光レンズに出射する光分波回路をさらに備え、前記集光レンズから前記半導体基板を経て前記受光部に至る光の焦点は、前記半導体基板の内側であって、前記レンズ面と前記受光部との間に位置している。

また、本発明の受光モジュールの一態様では、光ファイバと、前記光ファイバから出射される光を平行光に変換するコリメートレンズと、をさらに備え、前記平行光は前記入射した光であり、前記光分波回路は、前記平行光を相互に波長が異なる複数の光に分波し、前記複数の集光レンズに出射する。

本発明によると、半導体基板の集光レンズから遠い側に受光部が配置され、集光レンズに近い側にレンズ面が形成されているため、集光レンズによって集光される光は、受光部の手前に形成されたレンズ面によって更に集光される。このため、例えば、受光部で受光する光のスポット径が増大するように集光レンズと受光器の距離に誤差が生じても、受光部の手前にレンズ面が形成されていることで、スポット径が所望の大きさから外れることを抑制することが可能である。従って、本発明では、集光レンズと受光部の距離の誤差が許容される範囲を向上させることが可能である。

本発明の受光モジュールの一構成例を概略的に表す図である。 受光モジュールに含まれる受光器の一構成例を概略的に表す図である。 集光レンズと受光器の距離Ｌと受光面でのスポット径Ｒとの関係を説明するための図である。 図３における距離Ｌに応じた集光の様子を説明するための図である。 本発明の受光モジュールの他の構成例を概略的に表す図である。

本発明の受光モジュールの実施形態を、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の受光モジュールの一構成例を概略的に表す図である。同図に示される受光モジュール１は、例えば、光通信などに用いられる受光モジュールである。受光モジュール１は、概略箱状の筐体２を備えており、筐体２の内部には支持基板３が配置されている。支持基板３には、集光レンズ４と、受光器５と、光学部品７と、回路基板８と、が取り付けられている。また、筐体２の内部にはコリメートレンズ６が配置されている。

コリメートレンズ６、光学部品７、集光レンズ４及び受光器５は、光ファイバ９から筐体２の内部に入射する光の光軸Ａに沿ってこの順番に配列している。光学部品７は、例えばミラーやフィルタ等である。光ファイバ９から筐体２の内部に入射する光は、コリメートレンズ６によって平行光に変換され、光学部品７を経て、集光レンズ４によって集光され、その後、受光器５によって受光される。

受光器５は、受光した光を電気信号に変換する受光部を含んでおり（詳細は後述する。）、変換した電気信号を回路基板８に出力する。

図２は、受光モジュールに含まれる受光器５の一構成例を概略的に表す図である。同図に示される受光器５は、裏面入射型のフォトダイオードであり、半導体基板５３の第１の面側に受光部５１が形成されており、上記集光レンズ４からの入射光を電気信号に変換する。本実施形態では、入射される光の波長が１．３μｍ帯もしくは１．５５μｍ帯であり、半導体基板５３は当該波長に対して十分な透過特性を有するＩｎＰである。

ここで、半導体基板５３のうち、集光レンズ４に近い側の面を裏面５３ｃとし、集光レンズ４から遠い側の面を表面５３ｆとする。また受光部５１のうち、集光レンズ４の方向を向いている面を受光面５１ａとする。

半導体基板５３の裏面５３ｃには、集光レンズ４に向かって突出した球面状のレンズ面５５が形成されている。例えば、レンズ面５５は、半導体基板５３の裏面５３ｃを選択的にエッチングすることによって形成される。これに限られず、例えば、半導体基板５３の裏面５３ｃ上にレンズを別途形成してもよい。集光レンズ４からの光は、レンズ面５５から半導体基板５３の内側へ入射すると共に、レンズ面５５によって受光部５１に向けて更に集光される。

なお、本明細書において「レンズ面５５が集光レンズ４からの光を受光部５１に向けて集光する」とは、レンズ面５５から受光面５１ａまでの間の光の方向が、集光レンズ４からレンズ面５５までの間の光の方向よりも光軸Ａの方向に近づいていればよく（但し、光軸Ａ上の光を除く。）、受光面５１ａ上に焦点Ｆが位置する場合に限定されない。

また、ここでは「焦点」という表現で光の集光具合を説明したが、光線が最も集光するポイントである「ビームウェスト」もほぼ同義であり、「焦点の位置」ではなく「ビームウェストの位置」として考えても、本願発明の思想は変わらない。

ところで、受光面５１ａ上に焦点Ｆが位置する場合、空間電荷効果が問題になる可能性がある。受光部５１の空乏層内部で局所的に高密度に電荷（電子正孔対）が発生すると、電子は空乏層内部のＰ型電極側に高密度に蓄積し、正孔は空乏層内部のＮ型電極側に高密度に蓄積するため、両者による内部電界が発生する。これは、外部バイアス電圧によって空乏層内部に与えられる本来の電界とは逆向きであり、本来の電界強度を打ち消して弱めることとなる。これにより、電荷の走行時間が長くなり、高周波特性が劣化することがある。以上の現象が空間電荷効果である。こうした空間電荷効果は、通信速度が上昇するほど顕著になる（例えば２５Ｇｂｉｔ／ｓ以上）。

そこで、空間電荷効果が問題になる可能性がある場合には、上記図２に示されるように、集光レンズ４から半導体基板５３を経て受光部５１に至る光の焦点Ｆを、受光部５１の受光面５１ａからレンズ面５５側にずらしてもよい（すなわち、デフォーカスさせてもよい）。これにより、受光面５１ａで受光する光のスポット径が比較的大きくなるので、空間電荷効果を抑制することが可能である。デフォーカスは、例えば、半導体基板５３の厚みを調整することによって実現される。

より具体的には、集光レンズ４から半導体基板５３を経て受光部５１に至る光の焦点Ｆは、例えば、図２に示されるように、半導体基板５３の内側に位置してもよいし、半導体基板５３よりも集光レンズ４に近い側に位置してもよいし、半導体基板５３よりも集光レンズ４から遠い側に位置してもよい。

図３は、集光レンズ４と受光器５の距離Ｌと受光面５１ａでのスポット径Ｒとの関係を説明するための図である。図４は、図３における距離Ｌに応じた集光の様子を説明するための図である。

図３のグラフの横軸は、集光レンズ４と受光器５の距離Ｌを表しており、集光レンズ４による光の焦点Ｆがレンズ面５５上に位置する場合を０として、そこからの光軸Ａに沿った方向にずらしたときの増減量を表している。図３に示される距離Ｌの範囲（ａ）〜（ｄ）は、図４（ａ）〜図４（ｄ）にそれぞれ対応している。図３のグラフの縦軸は、受光面５１ａでのスポット径Ｒを表しており、所望の範囲の最大値ＭＡＸを１として規格化している。例えば、所望の範囲の最大値ＭＡＸは受光面５１ａの大きさに基づいて定められ、最小値ＭＩＮは空間電荷効果の問題を回避するように定められる。

具体的な例として、所望の範囲の最大値ＭＡＸのスポット径Ｒは、例えば、一般的な２５Ｇｂ／ｓのフォトダイオードの有効受光半径を８．０μｍとすると、この有効受光半径と同程度となる。また、所望の範囲の最小値ＭＩＮのスポット径Ｒは、例えば、空間電荷効果の問題が発生しないように定められ、フォトダイオードの性能にもよるが、おおよそ２〜３μｍ程度となる。

図３における距離Ｌの範囲（ａ）は、受光面５１ａでのスポット径Ｒが所望の範囲の最小値ＭＩＮを下回る場合を示している。この場合、図４（ａ）に示されるように、焦点Ｆは受光部５１の受光面５１ａ上に位置するか、若しくはその近傍に位置している。受光面５１ａでのスポット径Ｒが所望の範囲の最小値ＭＩＮを下回る場合、上述したように空間電荷効果が問題になる可能性がある。

図３における距離Ｌの範囲（ｂ）〜（ｄ）は、受光面５１ａでのスポット径Ｒが所望の範囲（最大値ＭＡＸと最小値ＭＩＮの間）に含まれる場合を示している。

このうち、範囲（ｂ）では、図４（ｂ）に示されるように、焦点Ｆは半導体基板５３の内側に位置している。この場合、集光レンズ４からの光は、光軸Ａに近づく方向に絞られた状態でレンズ面５５に入射する。レンズ面５５から半導体基板５３の内側に入射した光は、レンズ面５５と受光面５１ａの間で焦点Ｆを結んだ後、光軸Ａから離れる方向に広がって受光面５１ａに至る。

また、範囲（ｃ）では、図４（ｃ）に示されるように、焦点Ｆは半導体基板５３のレンズ面５５上に位置している。この場合、集光レンズ４によって光軸Ａに近づく方向に絞られた光は、レンズ面５５上で焦点Ｆを結んだ状態でレンズ面５５に入射する。レンズ面５５から半導体基板５３の内側に入射した光は、光軸Ａから離れる方向に広がって受光面５１ａに至る。

また、範囲（ｄ）では、図４（ｄ）に示されるように、焦点Ｆは集光レンズ４と半導体基板５３の間に位置している。この場合、集光レンズ４からの光は、集光レンズ４とレンズ面５５の間で焦点Ｆを結んだ後、光軸Ａから離れる方向に広がった状態でレンズ面５５に入射する。レンズ面５５から半導体基板５３の内側に入射した光は、入射前よりも広がりがやや抑制されて受光面５１ａに至る。

以上に説明した範囲（ｂ）と（ｄ）では、範囲（ｂ）の方が好ましい。範囲（ｂ）では、集光レンズ４からの光が光軸Ａに近づく方向に絞られた状態でレンズ面５５に入射するのに対し、範囲（ｄ）では、集光レンズ４からの光が光軸Ａから離れる方向に広がった状態でレンズ面５５に入射する。このため、範囲（ｄ）における光の入射角度（光線とレンズ面５５の法線で形成する鋭角の角度）は、範囲（ｂ）における光の入射角度よりも大きくなる。レンズ面５５に対する光の入射角度が大きくなる程、レンズ面５５により集光し切れずに受光面５１ａから外れる光が多くなる可能性がある。

また、範囲（ｄ）では、集光レンズ４と受光器５の距離Ｌが増加すると、受光面５１ａでのスポット径Ｒが所望の範囲の最大値ＭＡＸを上回るおそれがある。すなわち、集光レンズ４と受光器５の距離Ｌが増加すると、レンズ面５５に入射する光の外側の一部が受光面５１ａから外れるおそれがある。このため、焦点Ｆが半導体基板５３の内側に位置する範囲（ｂ）の方が、焦点Ｆが集光レンズ４と半導体基板５３の間に位置する範囲（ｄ）よりも光軸Ａに沿った方向のズレに対して誤差許容範囲が広いと言うことができる。

また、範囲（ｃ）では、焦点Ｆがレンズ面５５上に位置するが、この場合、レンズ面５５で反射して、ノイズとなり受光感度が劣化するなどのおそれがある。このため、焦点Ｆをレンズ面５５から光軸Ａに沿った方向にずらした方が好ましい。

なお、焦点Ｆは半導体基板５３よりも集光レンズ４から遠い側に位置してもよい（つまり焦点Ｆの位置が図４で示すところの受光部５１より右側に位置してもよい）。但し、集光レンズ４と受光器５の距離Ｌが減少すると、レンズ面５５に入射する光の径がレンズ面５５の有効範囲を越えてしまうおそれがある。特に、エッチング等により形成したレンズ面５５では、中心から離れるほど理想的な曲面から外れやすいことから、レンズ面５５に入射する光の径は小さいほど好ましい。このため、焦点Ｆが半導体基板５３の内側に位置する範囲（ｂ）の方が、焦点Ｆが半導体基板５３よりも集光レンズ４から遠い側に位置する場合よりも光軸Ａに沿った方向の誤差許容範囲が広いと言うことができる。

以上、焦点Ｆを半導体基板５３の内側に位置する範囲（ｂ）とすることで、搭載位置のばらつきなどにより、集光レンズと受光部の距離がばらつき、受光する光のスポット径が所望の大きさからずれてしまう可能性を低減することができ、安定して所望のスポット径が得られる受光モジュールを提供できる。

図５は、本発明の受光モジュールの他の構成例を概略的に表す図である。上記の例と相違する点は、本例の受光モジュール１は集光レンズ４と受光器５の組を複数含んでいる点にある。すなわち、本例の受光モジュール１は、光分波回路１０と、複数の集光レンズ４が配列したレンズアレイ４０と、複数の受光器５が配列した受光器アレイ５０と、を備えている。

光分波回路１０には、上記コリメートレンズ６によって平行光に変換された光（図１を参照）が入射する。本例で使用される光は、相互に波長が異なる複数の成分を含んでいる。光分波回路１０は、入射した光を相互に波長が異なる複数の光に分波し、レンズアレイ４０に含まれる複数の集光レンズ４に出射する。光分波回路１０は、空間光学型光分波回路であってもよいし、ＰＬＣ型光分波回路であってもよい。

レンズアレイ４０に含まれる複数の集光レンズ４０は、光分波回路１０からの光を受光器アレイ５０に含まれる複数の受光器５に向けてそれぞれ集光する。複数の集光レンズ４０は、光軸Ａと直交する面の面内方向に互いに離れており、例えば、図５に示されるように面内方向に一列に配列している。また、複数の受光器５も、複数の集光レンズ４と同様に配列している。

ところで、本例のようにレンズアレイ４０と受光器アレイ５０とが設けられる場合、両者の平行度に誤差が生じる可能性があり（すなわち、両端の間隔Ｚ１，Ｚ２が相違する可能性があり）、集光レンズ４と受光器５の距離がばらつきやすい。以下、具体的に説明する。アレイではない1つの集光レンズ４と1つの受光器５を配置する場合には、焦点Ｆを所望の位置となるように配置することが容易である。しかし、アレイの場合には、例えば図５に示す複数の集光レンズ４と複数の受光器５の組のうち、一番下の組で焦点Ｆが所望の位置となるように配置したとすると（Ｚ２が所望の距離となるように配置すると）、レンズアレイ４０と受光器アレイ５０の搭載位置のばらつきによりどちらか一方もしくは両方が傾いて、Ｚ１とＺ２の距離が異なった状態で配置されることがある。このとき、図５の一番上の集光レンズ４と受光器５の組の焦点Ｆの位置は、所望の位置からずれて配置されることになる。もし一番下の集光レンズ４と受光器５の組の焦点Ｆの位置を図３及び図４の（ｄ）の範囲とし、かつＺ１＞Ｚ２となるように配置した場合には、一番上の集光レンズ４と受光器５の組の焦点Ｆの位置は、受光面５１ａでのスポット径ＲのＭＡＸ値を超えてしまうおそれがある。

しかし、上述したように、一番下の集光レンズ４と受光器５の組の焦点Ｆの位置を図３及び図４の（ｂ）の範囲となるように配置すれば、光軸Ａに沿った方向のズレに対しての誤差許容範囲を向上させることが可能であることから、レンズアレイ４０と受光器アレイ５０の平行度に誤差が生じて集光レンズ４と受光器５の距離がばらついても、受光面でのスポット径ＲがＭＡＸ、ＭＩＮを超えてしまう可能性を低減することができる。

以上のように、集光レンズ４と受光器５の各組において上記図４（ｂ）に示されるように焦点Ｆが半導体基板５３の内側に位置するように、レンズアレイ４０と受光器アレイ５０の距離、及び半導体基板５３の厚み（レンズ面５５と受光部５１との距離）を設定することで、複数の集光レンズ４と複数の受光器５の各組において、受光面５１ａでのスポット径Ｒを所望の範囲に収めることができる。従って、本実施形態では、複数の波長を受光するようなアレイタイプの受光モジュールにおいて、特に有効な効果を得ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が当業者にとって可能であるのはもちろんである。

例えば、受光器アレイは、同一の半導体基板上に複数の受光部が集積されたものであっても、複数の受光器が同一のサブマウントに搭載されたものであっても構わない。

また、受光器が半導体基板上に受光部が形成された裏面入射型のフォトダイオードではなく、入射する光が十分に透過できる半導体基板にフォトダイオードが搭載され、フォトダイオードが搭載されていない面側にレンズ面が配置されても構わない。

１ 受光モジュール、２ 筐体、３ 支持基板、４ 集光レンズ、５ 受光器、６ コリメートレンズ、７ 光学部品、８ 回路基板、９ 光ファイバ、５１ 受光部、５１ａ 受光面、５３ 半導体基板、５３ｃ 裏面、５３ｆ 表面、５５ レンズ面、Ａ 光軸、Ｆ 焦点、１０ 光分波回路、４０ レンズアレイ、５０ 受光器アレイ。

Claims (4)

1. 集光レンズと、
   前記集光レンズからの光を受光する受光器と、
   を備え、
   前記受光器は、
   前記集光レンズからの光が入射し、透過する半導体基板と、
   前記半導体基板の前記集光レンズから遠い側に配置され、前記半導体基板を透過した光を受光し、電気信号に変換する受光部と、
   を含み、
   前記半導体基板の前記集光レンズに近い側に、前記集光レンズからの光を前記受光部に向けて集光するレンズ面が形成され、
   前記集光レンズから前記半導体基板を経て前記受光部に至る光のビームウェストは、前記半導体基板の内側であって、前記レンズ面と前記受光部との間に位置している、
   ことを特徴とする受光モジュール。
2. 複数の集光レンズが配列するレンズアレイと、
   前記複数の集光レンズからの光をそれぞれ受光する複数の受光器が配列する受光器アレイと、
   を備え、
   前記複数の受光器は各々、
   前記集光レンズからの光が入射し、透過する半導体基板と、
   前記半導体基板の前記集光レンズから遠い側に配置され、前記半導体基板を透過した光を受光し、電気信号に変換する受光部と、
   を含み、
   前記半導体基板の前記集光レンズに近い側に、前記集光レンズからの光を前記受光部に向けて集光するレンズ面が形成され、
   前記集光レンズから前記半導体基板を経て前記受光部に至る光のビームウェストは、前記半導体基板の内側であって、前記レンズ面と前記受光部との間に位置している、
   ことを特徴とする受光モジュール。
3. 請求項２に記載の受光モジュールであって、
   入射した光を相互に波長が異なる複数の光に分波し、前記複数の集光レンズに出射する光分波回路をさらに備える、
   ことを特徴とする受光モジュール。
4. 請求項３に記載の受光モジュールであって、
   光ファイバと、
   前記光ファイバから出射される光を平行光に変換するコリメートレンズと、
   をさらに備え、
   前記平行光は前記入射した光であり、
   前記光分波回路は、前記平行光を相互に波長が異なる複数の光に分波し、前記複数の集光レンズに出射する、
   ことを特徴とする光モジュール。
   

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