JP2004088046A - 光受信器及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】寄生インダクタンスや寄生容量をより低減して高速応答に最適な光受信器を提供する。
【解決手段】光ファイバ１０からの入射光を受光するＰＤ２と、ＰＤ２からの電気信号を増幅するプリアンプＩＣ３と、ＰＤ２とプリアンプＩＣ３とが同一平面上に実装されるサブマウント４と、サブマウント４が実装されるパッケージ５とを具える。ＰＤ２とプリアンプＩＣ３とは、ワイヤ８で直接接続する。同一のサブマウント４上にＰＤ２とプリアンプＩＣ３とを実装することで、ＰＤ２とプリアンプＩＣ３間の距離を小さくして、寄生インダクタンスや寄生容量などを大幅に低減させて、より高速応答が可能である。
【選択図】 図１
【解決手段】光ファイバ１０からの入射光を受光するＰＤ２と、ＰＤ２からの電気信号を増幅するプリアンプＩＣ３と、ＰＤ２とプリアンプＩＣ３とが同一平面上に実装されるサブマウント４と、サブマウント４が実装されるパッケージ５とを具える。ＰＤ２とプリアンプＩＣ３とは、ワイヤ８で直接接続する。同一のサブマウント４上にＰＤ２とプリアンプＩＣ３とを実装することで、ＰＤ２とプリアンプＩＣ３間の距離を小さくして、寄生インダクタンスや寄生容量などを大幅に低減させて、より高速応答が可能である。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いる光受信器及びその製造方法に関するものである。特に、寄生インダクタンスなどが低く高速対応に適した光受信器及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来の光受信器の縦断面構造を示し、（Ａ）は、正面断面図、（Ｂ）は、（Ａ）の切断Ｂ−Ｂにおける側面断面図である。図１２に示す光受信器１００は、一般に、ＣＡＮタイプパッケージと呼ばれ、以下のようにして形成される。まず、パッケージ１０３上にサブマウント１０２を固定した後、受光素子であるフォトダイオード（ＰＤ）１０１をサブマウンド１０２に半田付けして固定する。パッケージ１０３には、電源供給や電気信号の取り出しを行うリードピン１０４が複数貫通されており、リードピン１０４とＰＤ１０１間、リードピン１０４とサブマウント１０２間をそれぞれワイヤ１０５で接続する。そして、このサブマウント１０２を覆うように頂上部に集光レンズ１０６を具えるキャップ１０７を被せ、レンズ１０６の上方に光ファイバ１０８を固定し、カバー（図１２において光ファイバ１０８とパッケージ１０３とをつなぐ破線で示す）で覆って完成する（例えば、特許文献１参照）。この光受信器１００においてＰＤ１０１は、集光レンズ１０６を介して光ファイバ１０８からの入射光を受光する。
【０００３】
上記光受信器１００を用いる場合、通常、ＰＤ１０１からの電気出力を増幅する必要がある。そこで、図１３に示すように従来の光受信器１００では、リードピン１０４を折り曲げてボード（回路基板）１０９上に実装し、更にボード１０９の後方に増幅素子１１０を配置して、光受信器１００と増幅素子１１０とをワイヤ１０５により接続することが行われている。より具体的には、ボード１０９上に配線パターン１１１を形成し、光受信器１００のリードピン１０４とパターン１１１とを半田付けし、増幅素子１１０とパターン１１１とをワイヤ１０５で接続する。即ち、光受信器１００のリードピン１０４と増幅素子１１０とは、ワイヤ１０５及び配線パターン１１１を介して接続される。なお、ボード１０９上には、通常、増幅素子１１０の後方に電子回路部品（図示せず）が搭載される。
【０００４】
【特許文献１】
実開平４−０８１１０７号公報（特許請求の範囲、第１図、第２図参照）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、光通信システムが広く普及しつつある状況で、光受信器もより低コストで、かつより短時間で量産できるようにすることが望まれている。また、伝送容量の増大も望まれており、従来１５６Ｍｂｐｓや６２２Ｍｂｐｓ程度であったものが、１Ｇｂｐｓ、２．５Ｇｂｐｓ或いはそれ以上といった高速大容量伝送が要求されるようになってきている。
【０００６】
しかし、上記従来の光受信器では、光受信器と増幅素子とを別個に具えるため、光受信器内のＰＤとボード上の増幅素子間の間隔（距離）が比較的広く、また、両者がワイヤ及び配線パターンを介して接続されることで寄生インダクタンスや寄生容量などが大きくなるという問題がある。特に、リードピンを折り曲げてボードに接続することで上記距離がより大きくなる。そのため、従来の光受信器では、寄生インダクタンスや寄生容量が大きくて高速応答への適用が困難であった。
【０００７】
また、光受信器と増幅素子とを別個に具えることで、これらを実装するボードの必要面積が広くなるという問題もある。更に、上記光受信器を形成後、ボード上に実装してから増幅素子と接続するため、ＰＤと増幅素子とを接続するまでの製造工程が多く、製造時間が比較的長くかかる。
【０００８】
そこで、本発明の主目的は、寄生インダクタンスや寄生容量をより低減して高速応答に最適な光受信器を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の別の目的は、製造工程をより少なくして短時間で量産することができる光受信器の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、同一の基板上に受光素子と増幅素子とを実装し、その基板をパッケージ上に実装することで上記目的を達成する。
【００１１】
即ち、本発明光受信器は、光ファイバからの入射光を受光する受光素子と、前記受光素子からの電気信号を増幅する増幅素子と、前記両素子が同一平面上に実装される基板と、前記基板が実装されるパッケージとを具えることを特徴とする。
【００１２】
このような光受信器は、以下の工程により製造することが好ましい。
（１） 光ファイバからの入射光を受光する受光素子とこの受光素子からの電気信号を増幅する増幅素子とを基板の同一平面上に実装してサブモジュールを形成する工程。
（２） 前記サブモジュールをパッケージに実装する工程。
（３） 前記パッケージに具える複数のリードピンと前記各素子とをそれぞれワイヤにて接続する工程。
【００１３】
本発明光受信器は、同一の基板上に受光素子と増幅素子とを実装することで、受光素子と増幅素子間の距離を小さくすると共に、両素子をワイヤで直接接続することが可能である。この構成により、本発明光受信器は、リードピンの折り曲げなどにより生じていた寄生インダクタンスや寄生容量などを大幅に低減させて、より高速応答が可能である。また、本発明は、受光素子と増幅素子とを同一の基板に実装するため、光受信器を実装するボード（回路基板）において、従来必要であった増幅素子分の面積が不要であり、ボードの必要面積を小さくすることができる。更に、本発明製造方法は、従来と比較して製造工程が少なく作業性に優れると共に、短時間での量産に適する。
【００１４】
以下、本発明をより詳しく説明する。
本発明において受光素子は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）やアバラシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などの半導体受光素子が挙げられる。また、波長１μｍ帯から１．６μｍ帯といった長波長帯域を受光層とする場合、ＩｎＧａＡｓ系材料又はＩｎＧａＡｓＰ系材料で形成された受光素子が高感度で好ましい。その他、同波長帯域を受光層とする場合、Ｇｅなどの材料で形成された受光素子でもよい。上記よりも短波長帯域を受光層とする場合、Ｓｉなどの材料で形成された受光素子でもよい。受光素子のサイズは、例えば、ＩｎＧａＡｓ系材料からなる受光素子の場合、幅０．２５〜０．７ｍｍ×長さ０．２５〜０．７ｍｍ×厚み０．３〜０．５ｍｍ程度が挙げられる。また、受光素子は、端面入射形、上面入射形、裏面入射形のいずれを用いてもよい。裏面入射形の場合、▲１▼通常、受光部が円形であるため受光し易く、▲２▼実装の際のトレランス（実装位置ずれに対する耐性）に優れており、▲３▼受光部の大きさをボンディングパッド（ワイヤとの接続部）の大きさまで小さくできるため、ｐ−ｎ接合面積が狭く静電容量を小さくできる。これらのことから、裏面入射形の受光素子は、１Ｇｂｐｓ以上の高速作動が可能であり、高速応答に最適である。裏面入射形ほどの高速作動が必要でない場合（１５６Ｍｂｐｓ〜６２２Ｍｂｐｓ程度）は、上面入射形の受光素子を用い、その受光面を基板側に向けて配置しても（いわゆるアップサイドダウン実装）、十分適用できる。
【００１５】
増幅素子は、例えば、Ｓｉ−ＩＣやＧａＡｓ−ＩＣなどが挙げられる。増幅素子のサイズは、例えば、幅０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ×長さ０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ×厚み０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度が挙げられる。
【００１６】
上記両素子の接続は、ワイヤにより直接行うことが好ましい。ワイヤは、金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの金属線が好適である。
【００１７】
上記両素子が実装される基板（サブマウント）は、Ｓｉ単結晶、ガラス、又はＡｌＮ、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などのセラミックで形成されたものが好ましい。特に、Ｓｉ単結晶は、フォトリソグラフィーの技術で精度よく加工できて好ましい。ガラスは、透光性を有すると共に、比較的安価であるため経済性がよく好ましい。また、セラミックは、機械加工が自由にできて好ましい。その他、エポキシ樹脂や液晶ポリマーなどの樹脂で形成されたものでもよい。基板のサイズは、両素子が搭載できる大きさがあればよく、例えば、幅１．０〜１．２５ｍｍ×長さ２．０〜３．０ｍｍ×厚さ０．５〜２．５ｍｍ程度が挙げられる。基板には、受光素子及び増幅素子を実装できるように、予め実装用パターンを形成しておくことが好ましい。
【００１８】
受光素子の基板への実装は、ＰｂＳｎ半田やＡｕＳｎ半田による半田付けが挙げられる。半田付けは、瞬時に行うことができるように自動ダイ（半導体チップ）ボンダなどの自動半田付け装置を用いることが好ましい。自動ダイボンダには、実装用パターンの位置及び半導体チップ吸着コレットに吸着されたチップの形状をパターン認識させておくと、位置精度よく受光素子を実装することができて好ましい。増幅素子の基板への実装は、導電性エポキシ樹脂などによるボンディングが挙げられる。
【００１９】
受光素子が裏面入射形又は上面入射形の場合、基板は、入射光の光路を屈折させて受光素子に入射させる反射面を設けることが好ましい。受光素子が端面入射形の場合、入射光を受光する端面を入射光に対向させて基板に実装することが比較的容易であり、基板に反射面を設けていなくても問題ない。一方、受光素子が裏面入射形又は上面入射形の場合、受光部を入射光に対向させて基板に実装させにくいため、入射光の光路を屈折させて受光部に入射光を入射させる必要がある。そこで、受光素子が裏面入射形又は上面入射形の場合、反射面が設けられた基板を用いることが望ましい。反射面は、例えば、基板に傾斜面を設け、その傾斜面に金（Ａｕ）などの金属をメッキして形成してもよい。また、反射面は、少なくとも一つあればよく、受光素子の受光部に入射光の入射が可能であれば、複数設けてもよい。
【００２０】
入射光をより確実に上記反射面に導入するために、基板に光路溝を設けることが好ましい。このとき、光路溝を形成する少なくとも一面を反射面としてもよい。光路溝は、例えば、エッチングにより形成する方法が挙げられる。具体的には、いわゆるフォトエッチングの手法を用いて形成する方法が挙げられる。より具体的には、基板に絶縁層としてＳｉＯ２膜などの酸化膜をプラズマＣＶＤ法などの化学蒸着法（ＣＶＤ）で形成し、この被覆膜の一部及び基板の一部をケミカルエッチングなどにより除去して、基板に光路溝を形成する。このとき、反射面とする面だけでなく、光路溝の各面にＡｕメッキなどの金属メッキを施すと、反射効率が向上して出力電流の増大が図れて好ましい。なお、上記光路溝、反射面が形成された基板上には、両素子の位置合わせマークを兼ねる実装用パターンを形成する。実装用パターンの形成は、例えば、Ａｕ−Ｓｎなどをメッキすることなどが挙げられる。上記光路溝、反射面及び実装用パターンは、材料基板の全面に亘って繰り返し形成し、その後個々に切り出すことで反射面、光路溝、実装用パターンを具える基板を得ることができる。
【００２１】
基板に対して受光素子の配置は、光ファイバからの入射光の光軸に対して受光素子の端面（入射光と対向する面）がほぼ直交するように行ってもよい。この配置の場合、入射光が受光素子の端面で反射されて光ファイバ側に戻り、送信側の発光素子の動作を不安定にすることがある。そこで、受光素子は、その端面の垂線が入射光の光軸に対して非直交となるように、即ち傾きをもって基板上に実装されることが好ましい。具体的には、受光素子の端面の垂線が光軸に対して４〜８°程度傾いていることが好ましい。
【００２２】
上記両素子を実装した基板（サブモジュール）を実装するパッケージとして、同軸型パッケージが好ましい。同軸型パッケージとは、パッケージの中心軸が入射光と同軸のものである。一般に市販されているＣＡＮタイプパッケージと呼ばれるものを利用してもよい。パッケージ材料には、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、銅−ニッケル合金（Ｃｕ−Ｎｉ）、ステンレスや、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉなどの鉄合金、その他の金属が好ましい。金属製の同軸型パッケージは、強固でハーメチックシール（完全密閉）ができるため長期安定性に優れると共に、放熱性が高く、外部からの電磁ノイズを遮断する機能も有している。また、一般的に汎用されているため、大量生産されていることから比較的廉価であり、コストを低減することができる。サブモジュールのパッケージへの実装は、パッケージにサブモジュール実装用のグランドやポールを必要に応じて設けておき、ＡｕＳｎ半田やＳｕＰｂ半田などによる半田付けすることが挙げられる。半田付けは、自動ダイボンダにより行ってもよい。
【００２３】
本発明光受信器は、一端に光ファイバを具えるピッグテールタイプ又は一端に光コネクタとの接続部を有するレセプタクルタイプが挙げられる。いずれのタイプも、受光素子は、光ファイバと光学的に結合する。より具体的な構成は、前者は、頂上部に集光レンズを具えるキッャプを固定した上記パッケージを支持する金属製スリーブに、光ファイバを固定した円筒状の金属製ホルダーを装着させた構成が挙げられる。後者は、一端に光ファイバフェルールを具えるコネクタとの接続部を具え、他端に素子の保持部を具える構成が挙げられる。レセプタクルタイプは、光ファイバの取り回しが不要であるため、扱い易い。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
＜ピッグテールタイプ＞
（実施例１）：端面入射型ＰＤを用いた場合
図１は、本発明光受信器においてピッグテールタイプの例を示す部分断面図、図２（Ａ）は、サブモジュール部分を拡大した正面断面図、（Ｂ）は、（Ａ）の切断Ｂ−Ｂにおける側面断面図である。本発明光受信器１は、光ファイバ１０からの入射光を受光するＰＤ２と、ＰＤ２からの電気信号を増幅するプリアンプＩＣ３と、ＰＤ２とプリアンプＩＣ３とが同一平面上に実装されるサブマウント４と、サブマウント４が実装されるパッケージ５とを具える。
【００２５】
本発明光受信器１は、以下のように製造した。図３は、本発明光受信器の製造工程を示す説明図であり、（Ａ）は、サブモジュールの形成工程、（Ｂ）は、パッケージへの実装工程、（Ｃ）は、ワイヤによる接続工程を示す。図４は、サブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。
【００２６】
（１） サブモジュール形成工程
本例においてＰＤ２は、ＩｎＧａＡｓＰ系材料で形成された波長１μｍ帯から１．６μｍ帯を受光層とする端面入射形で、幅０．２５ｍｍ×長さ０．５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのものを用いた。なお、幅とは、図２（Ａ）において左右方向の大きさ、長さとは、同上下方向の大きさ、厚さとは、図２（Ｂ）において左右方向の大きさである。増幅素子であるプリアンプＩＣ３は、Ｓｉ−ＩＣで、幅１．０ｍｍ×長さ１．０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのものを用いた。また、本例においてサブマウント４は、アルミナ製の材料基板の同一平面上にＡｕ−Ｓｎで厚さ３μｍのメッキを施してＰＤ２とプリアンプＩＣ３の実装用パターン７（図４参照）を形成した後切り出し、幅１．２５ｍｍ×長さ２．０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのものを用いた。このサブマウント４の上に、図２（Ａ）に示すようにＰＤ２とプリアンプＩＣ３とを実装する（これをサブモジュール６と呼ぶ）。ＰＤ２は、自動ダイボンダによりＰｂＳｎ半田で半田付けした。プリアンプＩＣ３は、導電性エポキシ樹脂でボンディングした。そして、ＰＤ２とプリアンプＩＣ３とを直径３０μｍのＡｕワイヤ８（図３（Ａ）において破線で示す）で接続する。接続は、自動ワイヤボンダにより行った。なお、図３では、全てのワイヤを記載していない。上記により図３（Ａ）及び図４に示すサブマウント４の同一平面上にＰＤ２とプリアンプＩＣ３とが実装されたサブモジュール６を完成する。
【００２７】
（２） パッケージへの実装工程
本例においてパッケージ５は、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ製で直径５．６ｍｍ（リードピンの配置位置の中心を通る円の直径２．５４ｍｍ）の同軸型のものを用いた。パッケージ５には、上記サブモジュール６を実装させるポール９を設けておく（図３（Ｂ）参照）。また、パッケージ５には、電源供給や電気信号の取り出しを行うリードピン１１を必要数挿通させておく。リードピン１１は、必要に応じて３〜６本といった形態が考えられる。本例では、３本とし、各リードピン１１の直径はφ０．４５ｍｍとした。このパッケージ５のポール９表面に、サブモジュール６を実装する。サブモジュール６は、ＰＤ２の受光部２ａ（図４参照）が光ファイバ１０（図２参照）からの入射光の光軸とほぼ平行するように、即ち、端面２ｂが光軸にほぼ直交するように実装した。サブモジュール６の実装は、自動ダイボンダによりＡｕＰｂ半田で半田付けにより行った。また、サブモジュール６の実装は、図３（Ｂ）に示す状態から９０°回転させて図３（Ｃ）に示すようにリードピン１１の軸方向が水平方向になるように配置して行うと、作業性がよい。
【００２８】
（３） ワイヤによる接続工程
次に、ＰＤ２とリードピン１１間（図２（Ｂ）参照）、プリアンプＩＣ３とリードピン１１間（図３（Ｃ）参照）、サブモジュール６とポール９間（同）をそれぞれ直径３０μｍのＡｕワイヤ８で接続する。接続は、自動ワイヤボンダにより連続的に行った。また、接続は、上記と同様にリードピン１１の軸方向が水平方向になるように配置して行うと、作業性がよい（同）。
【００２９】
（４） 上記工程で得られたパッケージ５に対し、頂上部に集光レンズ１２を具えるキャップ１３を被せ、電気溶接によりパッケージ５にキャップ１３を固定する（図２参照）。このとき、リードピン１１の軸方向が垂直方向となるように配置して行うと作業性がよい。次に、図１に示すようにキャップ１３を固定したパッケージ５を金属製スリーブ１４に取り付け、光ファイバ１０を固定した円筒状の金属製ホルダー１５をスリーブ１４の上方に挿入する。そして、光ファイバ１０から入射光をＰＤ２に入れて、最適な出力となるところでホルダー１５をスリーブ１４に固定する。最後に、ホルダー１５にカバー１６を挿通させてピッグテールタイプの本発明光受信器１が完成する。
【００３０】
このような本発明光受信器は、同一のサブマウント上にＰＤとプリアンプＩＣとを実装させていることにより、寄生インダクタンスや寄生容量などを大幅に低減させることができ、より高速応答が可能である。また、上記のように本発明光受信器の製造方法は、パッケージ内にプリアンプＩＣを具えることで、光受信器の形成後にＰＤとプリアンプＩＣとの接続工程がなく、従来と比較して製造時間を短縮することができる。
【００３１】
（実施例２）：裏面入射形ＰＤを用いた場合
本発明光受信器において受光素子は、実施例１に示す端面入射形ＰＤだけでなく、裏面入射形ＰＤを用いてもよい。基本的構成及び製造は、実施例１と同様に行うとよい。異なる点は、サブマウント４に反射面２０ａを設ける点である。以下、この点を中心に説明する。
【００３２】
（２−１：サブマウントの内部に入射光を透過させる例）
図５は、裏面入射形ＰＤを用いると共に、入射光を内部に透過させるサブマウントを用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。本例においてサブマウント４Ａは、ガラス製で、幅１．０ｍｍ×最大の長さ２．５ｍｍ×厚さ２．５ｍｍのものを用いた。本例において幅とは、図５（Ａ）において上下方向の大きさ、最大の長さとは、同（Ｂ）において左右方向の最大の大きさ、厚さとは、同上下方向の大きさであり、後述する図６についても同様である。このサブマウント４Ａの一面を研磨して傾斜を設け、この傾斜面にＡｕメッキを施して反射面２０ａを形成する。また、サブマウント４Ａには、反射面２０ａを形成した後、Ａｕ−Ｓｎで厚さ３μｍのメッキを施して実装用パターン７を設ける。以下、実施例１で説明した製造工程と同様にして、ＰＤ２及びプリアンプＩＣ３を実装したサブモジュール６Ａを得る。本例では、受光部２ａ側の面と対向する面を実装用パターン７に接させてＰＤ２をサブマウント４Ａに実装した。また、得られたサブモジュール６Ａは、反射面２０ａが光ファイバ（図２参照）からの入射光Ｌの光軸と対向するように、即ち、サブマウント４Ａの端面４’が光軸とほぼ直交するようにパッケージ４（同）に実装する。後述する実施例２−２、２−３についても同様である。
【００３３】
本例においてＰＤ２は、波長１．０μｍから波長１．６μｍの長波長帯域でよく用いられるＩｎＧａＡｓ系ＰＤ（幅０．５ｍｍ、長さ０．５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、受光部２ａの径５０μｍ）を用いた。ＰＤ２が裏面入射形であることで、ＰＤ２をサブマウント４に実装した際、受光部２ａがサブマウント４と対向する側（図５（Ｂ）では上側）になる。この構成により、光ファイバからの入射光Ｌは、サブマウント４Ａの内部を透過して上記反射面２０ａに当たり、反射面２０ａで光路を屈折させて、サブマウント４Ａに実装されたＰＤ２の受光部２ａに入射することができる。
【００３４】
本例は、裏面入射形のＰＤ２を用いることで１Ｇｂｐｓ以上の高速動作が可能であり、より高速対応に適する。また、本例では、サブマウント４の同一平面上に高速動作が可能なプリアンプＩＣ３を近接させて実装し、ＰＤ２とＩＣ３とをワイヤ８により直接接続する。そのため、裏面入射形のＰＤ２の優れた特性を最大に利用することが可能である。
【００３５】
（２−２：サブマウントに反射面を設けた例）
図６は、裏面入射形ＰＤを用いると共に、反射面を設けたサブマウントを用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。上記実施例２−１では、サブマウント４Ａの内部に入射光Ｌを透過させるものを説明したが、入射光Ｌを透過させない基板、例えば、Ｓｉ単結晶からなるサブマウント４Ｂを用いてもよい。このようなサブマウント４Ｂを用いたサブモジュール４Ｂは、反射面２０ａに光ファイバ（図２参照）からの入射光Ｌが当接するようにパッケージ４（同）に実装するとよい。
【００３６】
（２−３：サブマウントに光路溝を設けた例）
上記実施例２−１、２−２では、サブマウントに反射面のみ具えるものを説明したが、反射面により確実に入射光を導入するためには、サブマウントに光路溝をも具えることが好ましい。そこで、サブマウントに反射面に加えて光路溝を具える例を説明する。図７は、光路溝を具えるサブマウントを用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。このサブモジュール６Ｃは、基本的構成は実施例２−２と同様であり、異なる点は、サブマウント４Ｃに光路溝２０を具える点である。以下、この点を中心に説明する。
【００３７】
本例では、以下のようにしてサブマウント４Ｃに反射面２０ａ及び光路溝２０を形成した。Ｓｉ（｛１００｝面）からなる材料基板上に絶縁層として厚さ１μｍのＳｉＯ２膜（図示せず）をプラズマＣＶＤ法にて形成する。次に、ＳｉＯ２層の一部及び材料基板をケミカルエッチングにより除去して、光ファイバ１０（図１参照）からの入射光をＰＤ２に導くための光路溝２０を形成する。本例において光路溝２０は、幅２５０μｍ、深さ１７７μｍ、最大の長さ２００μｍとした。なお、幅とは、図７（Ａ）において上下方向の大きさ、最大の長さとは、同左右方向の最大の大きさ、深さとは、図５（Ｂ）において上下方向の大きさであり、後述する実施例２−４も同様である。また、本例では、光路溝２０の各面（｛１１１｝面）にＡｕメッキを施し、一面を反射面２０ａとした。
【００３８】
上記反射面２０ａ及び光路溝２０を設けた材料基板に上記実施例１と同様に実装用パターン７を形成し、その後切り出してサブマウント４Ｃを得る。サブマウント４Ｃの大きさは、実施例１と同様とした。以下、実施例１で説明した製造工程と同様にして、このサブマウント４ＣにＰＤ２及びプリアンプＩＣ３を実装したサブモジュール６Ｃを得る。本例においてサブモジュール６Ｃは、実施例２−１と同様にＰＤ２の受光部２ａ側の面と対向する面を実装用パターン７に接させて、ＰＤ２が光路溝２０を覆うようにサブマウント４Ｃ上に実装した。以下、実施例１で説明した製造工程と同様である。
【００３９】
この構成により、本例では、図７（Ｂ）に示すようにサブマウント４Ｃの光路溝２０に入射光が導入されて反射面２０ａに当たり、反射面２０ａで光路を屈折させて、サブマウント４Ｃに実装されたＰＤ２の受光部２ａに入射光を入射させることができる。
【００４０】
（２−４：反射面を二つ具える例）
上記実施例２−３では、サブマウントに反射面を一つ具えるものを説明したが、反射面は二つあってもよい。そこで、反射面を二つ具える例を説明する。図８は、反射面を二つ具えるサブマウントを用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。このサブモジュール６Ｄは、基本的構成は実施例２−３と同様であり、異なる点は、サブマウント４Ｄに二つの反射面を具える点である。以下、この点を中心に説明する。
【００４１】
本例では、上記実施例２−３と同様にしてサブマウント４Ｄに光路溝２０を形成した。即ち、Ｓｉ（｛１００｝面）からなる材料基板上に厚さ１μｍのＳｉＯ２膜（図示せず）をプラズマＣＶＤ法にて形成し、このＳｉＯ２層の一部及び材料基板をケミカルエッチングにより除去して、光路溝２０を形成する。本例において光路溝２０は、幅１００μｍ、最大の長さ１，０００μｍ、深さ１００μｍとした。また、本例では、光路溝２０の各面（｛１１１｝面）にＡｕメッキを施し、対向する二面を反射面２０ａとした。
【００４２】
上記反射面２０ａ及び光路溝２０を設けた材料基板に上記実施例２−３と同様に実装用パターンを形成した後切り出してサブマウント４Ｄを得る。このサブマウント４Ｄ上にＰＤ２を実装してサブモジュール６Ｄを得る。本例においてサブモジュール６Ｄは、ＰＤ２の受光部２ａ側の面と対向する面を実装用パターン７に接させて、ＰＤ２が光路溝２０の一部を覆うようにサブマウント４Ｄ上に実装した。サブマウント４Ｄの大きさは、実施例１と同様とした。
【００４３】
本例において上記サブモジュール６Ｄは、ＰＤ２の受光部２ａが光ファイバ（図２参照）からの入射光Ｌの光軸とほぼ直交するように、即ち、サブマウント４Ｄの反射面２０ａが光軸と対向するようにパッケージ４（同）に実装する。このとき、ＰＤ２の受光部２ａは、図８（Ｂ）において上側を向いた状態である。以下、実施例１で説明した製造工程と同様である。
【００４４】
この構成により、図８（Ｂ）に示すようにサブマウント４Ｄの一方の反射面２０ａにあたった入射光Ｌは、光路を屈折させて光路溝２０に導入され、光路溝２０を経てもう一方の反射面２０ａに当たり、この反射面２０ａで再び光路を屈折させて、ＰＤ２の受光部２ａに入射させることができる。
【００４５】
（実施例３）：上面入射形ＰＤを用いた場合
図９は、上面入射形ＰＤを用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。本発明光受信器において受光素子は、実施例１に示す端面入射形ＰＤ、実施例２に示す裏面入射形ＰＤ以外に上面入射形ＰＤを用いてもよい。基本的構成及び製造は、実施例２−３と同様に行うとよく、反射面２０ａ及び光路溝２０を設けたサブマウント４にＰＤ２を実装する。本例では、受光部２ａをサブマウント４側に向けて配置する。受光部２ａとプリアンプＩＣ３とは、実装用パターン７及びワイヤ８を介して接続する。本例は、上記実施例２に示す裏面入射形ＰＤほどの高速動作を必要としない場合に適用することが好ましい。
【００４６】
（実施例４）：ＰＤを傾斜実装した場合
図１０は、ＰＤの端面を入射光の光軸に対して傾きをもって基板に実装した状態を示すサブモジュールの正面図である。図１０に示すサブモジュール６は、ＰＤ２の端面２ｂ（入射光と対向する面）の垂線を入射光の光軸２１に対してθ＝８°傾斜させてＰＤ２をサブマウント４に実装している。この配置により、本例は、入射光が端面２ｂで反射されても、光ファイバ１０側に戻ることがなく、送信側の発光素子の動作を不安定にするという不具合をなくすることができる。このような実装は、実施例１、実施例２−１〜２−３、実施例３、実施例４のようにＰＤの端面が入射光の光軸と対向するように配置される場合に適用するとよい。また、後述するレセプタクルタイプにおいても、このような実装が適用できる。
【００４７】
＜レセプタクルタイプ＞
（実施例５）
図１１は、本発明光受信器においてレセプタクルタイプの例を示す縦断面図である。上記実施例１〜４では、ピッグテールタイプの光受信器を説明したが、本発明光受信器は、レセプタクルタイプのものも適用できる。光受信器３０は、光ファイバフェルール４１を具えるコネクタ４０の接続部３１を図１１において上方に具え、サブモジュール６の保持部であるステム５’を同下方に具える。接続部３１は、光ファイバフェルール４１が挿入される挿入孔３２を有する。本例では、挿入孔３２の端部（ステム５’側）には、光ファイバ３３を具えるスタブ３４を配置させている。ステム５’は、実施例１などと同様にサブモジュール６を実装するポール９’、電源供給や電気信号の取り出しを行うリードピン１１を具える。また、ステム５’には、実施例１などと同様に頂上部に集光レンズ１２を具えるキャップ１３を被せている。
【００４８】
このような本発明光受信器３０も上記実施例１〜４と同様に寄生インダクタンスや寄生容量を大幅に低減して、より高速応答が可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明光受信器によれば、同一の基板上に受光素子と増幅素子とを実装することで、寄生インダクタンスや寄生容量などを大幅に低減させて、より高速応答が可能であるという優れた効果を奏し得る。そのため、本発明光受信器は、１Ｇｂｐｓ以上といった高速大容量伝送への適用が可能である。また、本発明光受信器は、受光素子と増幅素子とを一体に実装した基板をパッケージ上に実装するため、光受信器を実装するボードの必要面積を小さくすることが可能である。更に、本発明光受信器は、従来と比較してより少ない製造工程で製造することができ、短時間での量産が可能であると推測される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明光受信器においてピッグテールタイプの例を示す部分断面図である。
【図２】（Ａ）は、サブモジュール部分を拡大した正面断面図、（Ｂ）は、（Ａ）の切断Ｂ−Ｂにおける側面断面図である
【図３】本発明光受信器の製造工程を示す説明図であり、（Ａ）は、サブモジュールの形成工程、（Ｂ）は、パッケージへの実装工程、（Ｃ）は、ワイヤによる接続工程を示す。
【図４】端面入射形ＰＤを用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。
【図５】裏面入射形ＰＤを用いると共に、入射光を内部に透過させる基板を用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。
【図６】裏面入射形ＰＤを用いると共に、反射面を設けた基板を用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。
【図７】裏面入射形ＰＤを用いると共に、光路溝を具える基板を用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。
【図８】反射面を二つ具える基板を用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。
【図９】上面入射形ＰＤを用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。
【図１０】ＰＤの端面を入射光の光軸に対して傾斜させて基板に実装した状態を示すサブモジュールの正面図である。
【図１１】本発明光受信器においてレセプタクルタイプの例を示す縦断面図である。
【図１２】従来の光受信器の縦断面構造を示し、（Ａ）は、正面断面図、（Ｂ）は、（Ａ）の切断Ｂ−Ｂにおける側面断面図である。
【図１３】従来の光受信器をボードに実装した状態を示す側面図である。
【符号の説明】
１、３０ 光受信器 ２ ＰＤ ２ａ 受光部 ２ｂ 端面 ３ プリアンプＩＣ
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ サブマウント ４’ 端面 ５ パッケージ ５’ ステム
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ サブモジュール ７ 実装用パターン ８ ワイヤ
９、９’ ポール １０ 光ファイバ １１ リードピン １２ 集光レンズ
１３ キャップ １４ スリーブ １５ ホルダー １６ カバー
２０ 光路溝 ２０ａ 反射面 ２１ 光軸
３１ 接続部 ３２ 挿入孔 ３３ 光ファイバ ３４ スタブ ４０ コネクタ
４１ 光ファイバフェルール
１００ 光受信器 １０１ ＰＤ １０２ サブマウント １０３ パッケージ
１０４ リードピン １０５ ワイヤ １０６ 集光レンズ １０７ キャップ
１０８ 光ファイバ １０９ ボード １１０ 増幅素子 １１１ 配線パターン
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信に用いる光受信器及びその製造方法に関するものである。特に、寄生インダクタンスなどが低く高速対応に適した光受信器及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１２は、従来の光受信器の縦断面構造を示し、（Ａ）は、正面断面図、（Ｂ）は、（Ａ）の切断Ｂ−Ｂにおける側面断面図である。図１２に示す光受信器１００は、一般に、ＣＡＮタイプパッケージと呼ばれ、以下のようにして形成される。まず、パッケージ１０３上にサブマウント１０２を固定した後、受光素子であるフォトダイオード（ＰＤ）１０１をサブマウンド１０２に半田付けして固定する。パッケージ１０３には、電源供給や電気信号の取り出しを行うリードピン１０４が複数貫通されており、リードピン１０４とＰＤ１０１間、リードピン１０４とサブマウント１０２間をそれぞれワイヤ１０５で接続する。そして、このサブマウント１０２を覆うように頂上部に集光レンズ１０６を具えるキャップ１０７を被せ、レンズ１０６の上方に光ファイバ１０８を固定し、カバー（図１２において光ファイバ１０８とパッケージ１０３とをつなぐ破線で示す）で覆って完成する（例えば、特許文献１参照）。この光受信器１００においてＰＤ１０１は、集光レンズ１０６を介して光ファイバ１０８からの入射光を受光する。
【０００３】
上記光受信器１００を用いる場合、通常、ＰＤ１０１からの電気出力を増幅する必要がある。そこで、図１３に示すように従来の光受信器１００では、リードピン１０４を折り曲げてボード（回路基板）１０９上に実装し、更にボード１０９の後方に増幅素子１１０を配置して、光受信器１００と増幅素子１１０とをワイヤ１０５により接続することが行われている。より具体的には、ボード１０９上に配線パターン１１１を形成し、光受信器１００のリードピン１０４とパターン１１１とを半田付けし、増幅素子１１０とパターン１１１とをワイヤ１０５で接続する。即ち、光受信器１００のリードピン１０４と増幅素子１１０とは、ワイヤ１０５及び配線パターン１１１を介して接続される。なお、ボード１０９上には、通常、増幅素子１１０の後方に電子回路部品（図示せず）が搭載される。
【０００４】
【特許文献１】
実開平４−０８１１０７号公報（特許請求の範囲、第１図、第２図参照）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、光通信システムが広く普及しつつある状況で、光受信器もより低コストで、かつより短時間で量産できるようにすることが望まれている。また、伝送容量の増大も望まれており、従来１５６Ｍｂｐｓや６２２Ｍｂｐｓ程度であったものが、１Ｇｂｐｓ、２．５Ｇｂｐｓ或いはそれ以上といった高速大容量伝送が要求されるようになってきている。
【０００６】
しかし、上記従来の光受信器では、光受信器と増幅素子とを別個に具えるため、光受信器内のＰＤとボード上の増幅素子間の間隔（距離）が比較的広く、また、両者がワイヤ及び配線パターンを介して接続されることで寄生インダクタンスや寄生容量などが大きくなるという問題がある。特に、リードピンを折り曲げてボードに接続することで上記距離がより大きくなる。そのため、従来の光受信器では、寄生インダクタンスや寄生容量が大きくて高速応答への適用が困難であった。
【０００７】
また、光受信器と増幅素子とを別個に具えることで、これらを実装するボードの必要面積が広くなるという問題もある。更に、上記光受信器を形成後、ボード上に実装してから増幅素子と接続するため、ＰＤと増幅素子とを接続するまでの製造工程が多く、製造時間が比較的長くかかる。
【０００８】
そこで、本発明の主目的は、寄生インダクタンスや寄生容量をより低減して高速応答に最適な光受信器を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の別の目的は、製造工程をより少なくして短時間で量産することができる光受信器の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、同一の基板上に受光素子と増幅素子とを実装し、その基板をパッケージ上に実装することで上記目的を達成する。
【００１１】
即ち、本発明光受信器は、光ファイバからの入射光を受光する受光素子と、前記受光素子からの電気信号を増幅する増幅素子と、前記両素子が同一平面上に実装される基板と、前記基板が実装されるパッケージとを具えることを特徴とする。
【００１２】
このような光受信器は、以下の工程により製造することが好ましい。
（１） 光ファイバからの入射光を受光する受光素子とこの受光素子からの電気信号を増幅する増幅素子とを基板の同一平面上に実装してサブモジュールを形成する工程。
（２） 前記サブモジュールをパッケージに実装する工程。
（３） 前記パッケージに具える複数のリードピンと前記各素子とをそれぞれワイヤにて接続する工程。
【００１３】
本発明光受信器は、同一の基板上に受光素子と増幅素子とを実装することで、受光素子と増幅素子間の距離を小さくすると共に、両素子をワイヤで直接接続することが可能である。この構成により、本発明光受信器は、リードピンの折り曲げなどにより生じていた寄生インダクタンスや寄生容量などを大幅に低減させて、より高速応答が可能である。また、本発明は、受光素子と増幅素子とを同一の基板に実装するため、光受信器を実装するボード（回路基板）において、従来必要であった増幅素子分の面積が不要であり、ボードの必要面積を小さくすることができる。更に、本発明製造方法は、従来と比較して製造工程が少なく作業性に優れると共に、短時間での量産に適する。
【００１４】
以下、本発明をより詳しく説明する。
本発明において受光素子は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ）やアバラシェフォトダイオード（ＡＰＤ）などの半導体受光素子が挙げられる。また、波長１μｍ帯から１．６μｍ帯といった長波長帯域を受光層とする場合、ＩｎＧａＡｓ系材料又はＩｎＧａＡｓＰ系材料で形成された受光素子が高感度で好ましい。その他、同波長帯域を受光層とする場合、Ｇｅなどの材料で形成された受光素子でもよい。上記よりも短波長帯域を受光層とする場合、Ｓｉなどの材料で形成された受光素子でもよい。受光素子のサイズは、例えば、ＩｎＧａＡｓ系材料からなる受光素子の場合、幅０．２５〜０．７ｍｍ×長さ０．２５〜０．７ｍｍ×厚み０．３〜０．５ｍｍ程度が挙げられる。また、受光素子は、端面入射形、上面入射形、裏面入射形のいずれを用いてもよい。裏面入射形の場合、▲１▼通常、受光部が円形であるため受光し易く、▲２▼実装の際のトレランス（実装位置ずれに対する耐性）に優れており、▲３▼受光部の大きさをボンディングパッド（ワイヤとの接続部）の大きさまで小さくできるため、ｐ−ｎ接合面積が狭く静電容量を小さくできる。これらのことから、裏面入射形の受光素子は、１Ｇｂｐｓ以上の高速作動が可能であり、高速応答に最適である。裏面入射形ほどの高速作動が必要でない場合（１５６Ｍｂｐｓ〜６２２Ｍｂｐｓ程度）は、上面入射形の受光素子を用い、その受光面を基板側に向けて配置しても（いわゆるアップサイドダウン実装）、十分適用できる。
【００１５】
増幅素子は、例えば、Ｓｉ−ＩＣやＧａＡｓ−ＩＣなどが挙げられる。増幅素子のサイズは、例えば、幅０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ×長さ０．５ｍｍ〜１．５ｍｍ×厚み０．２ｍｍ〜１ｍｍ程度が挙げられる。
【００１６】
上記両素子の接続は、ワイヤにより直接行うことが好ましい。ワイヤは、金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）などの金属線が好適である。
【００１７】
上記両素子が実装される基板（サブマウント）は、Ｓｉ単結晶、ガラス、又はＡｌＮ、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）などのセラミックで形成されたものが好ましい。特に、Ｓｉ単結晶は、フォトリソグラフィーの技術で精度よく加工できて好ましい。ガラスは、透光性を有すると共に、比較的安価であるため経済性がよく好ましい。また、セラミックは、機械加工が自由にできて好ましい。その他、エポキシ樹脂や液晶ポリマーなどの樹脂で形成されたものでもよい。基板のサイズは、両素子が搭載できる大きさがあればよく、例えば、幅１．０〜１．２５ｍｍ×長さ２．０〜３．０ｍｍ×厚さ０．５〜２．５ｍｍ程度が挙げられる。基板には、受光素子及び増幅素子を実装できるように、予め実装用パターンを形成しておくことが好ましい。
【００１８】
受光素子の基板への実装は、ＰｂＳｎ半田やＡｕＳｎ半田による半田付けが挙げられる。半田付けは、瞬時に行うことができるように自動ダイ（半導体チップ）ボンダなどの自動半田付け装置を用いることが好ましい。自動ダイボンダには、実装用パターンの位置及び半導体チップ吸着コレットに吸着されたチップの形状をパターン認識させておくと、位置精度よく受光素子を実装することができて好ましい。増幅素子の基板への実装は、導電性エポキシ樹脂などによるボンディングが挙げられる。
【００１９】
受光素子が裏面入射形又は上面入射形の場合、基板は、入射光の光路を屈折させて受光素子に入射させる反射面を設けることが好ましい。受光素子が端面入射形の場合、入射光を受光する端面を入射光に対向させて基板に実装することが比較的容易であり、基板に反射面を設けていなくても問題ない。一方、受光素子が裏面入射形又は上面入射形の場合、受光部を入射光に対向させて基板に実装させにくいため、入射光の光路を屈折させて受光部に入射光を入射させる必要がある。そこで、受光素子が裏面入射形又は上面入射形の場合、反射面が設けられた基板を用いることが望ましい。反射面は、例えば、基板に傾斜面を設け、その傾斜面に金（Ａｕ）などの金属をメッキして形成してもよい。また、反射面は、少なくとも一つあればよく、受光素子の受光部に入射光の入射が可能であれば、複数設けてもよい。
【００２０】
入射光をより確実に上記反射面に導入するために、基板に光路溝を設けることが好ましい。このとき、光路溝を形成する少なくとも一面を反射面としてもよい。光路溝は、例えば、エッチングにより形成する方法が挙げられる。具体的には、いわゆるフォトエッチングの手法を用いて形成する方法が挙げられる。より具体的には、基板に絶縁層としてＳｉＯ２膜などの酸化膜をプラズマＣＶＤ法などの化学蒸着法（ＣＶＤ）で形成し、この被覆膜の一部及び基板の一部をケミカルエッチングなどにより除去して、基板に光路溝を形成する。このとき、反射面とする面だけでなく、光路溝の各面にＡｕメッキなどの金属メッキを施すと、反射効率が向上して出力電流の増大が図れて好ましい。なお、上記光路溝、反射面が形成された基板上には、両素子の位置合わせマークを兼ねる実装用パターンを形成する。実装用パターンの形成は、例えば、Ａｕ−Ｓｎなどをメッキすることなどが挙げられる。上記光路溝、反射面及び実装用パターンは、材料基板の全面に亘って繰り返し形成し、その後個々に切り出すことで反射面、光路溝、実装用パターンを具える基板を得ることができる。
【００２１】
基板に対して受光素子の配置は、光ファイバからの入射光の光軸に対して受光素子の端面（入射光と対向する面）がほぼ直交するように行ってもよい。この配置の場合、入射光が受光素子の端面で反射されて光ファイバ側に戻り、送信側の発光素子の動作を不安定にすることがある。そこで、受光素子は、その端面の垂線が入射光の光軸に対して非直交となるように、即ち傾きをもって基板上に実装されることが好ましい。具体的には、受光素子の端面の垂線が光軸に対して４〜８°程度傾いていることが好ましい。
【００２２】
上記両素子を実装した基板（サブモジュール）を実装するパッケージとして、同軸型パッケージが好ましい。同軸型パッケージとは、パッケージの中心軸が入射光と同軸のものである。一般に市販されているＣＡＮタイプパッケージと呼ばれるものを利用してもよい。パッケージ材料には、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、銅−ニッケル合金（Ｃｕ−Ｎｉ）、ステンレスや、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉなどの鉄合金、その他の金属が好ましい。金属製の同軸型パッケージは、強固でハーメチックシール（完全密閉）ができるため長期安定性に優れると共に、放熱性が高く、外部からの電磁ノイズを遮断する機能も有している。また、一般的に汎用されているため、大量生産されていることから比較的廉価であり、コストを低減することができる。サブモジュールのパッケージへの実装は、パッケージにサブモジュール実装用のグランドやポールを必要に応じて設けておき、ＡｕＳｎ半田やＳｕＰｂ半田などによる半田付けすることが挙げられる。半田付けは、自動ダイボンダにより行ってもよい。
【００２３】
本発明光受信器は、一端に光ファイバを具えるピッグテールタイプ又は一端に光コネクタとの接続部を有するレセプタクルタイプが挙げられる。いずれのタイプも、受光素子は、光ファイバと光学的に結合する。より具体的な構成は、前者は、頂上部に集光レンズを具えるキッャプを固定した上記パッケージを支持する金属製スリーブに、光ファイバを固定した円筒状の金属製ホルダーを装着させた構成が挙げられる。後者は、一端に光ファイバフェルールを具えるコネクタとの接続部を具え、他端に素子の保持部を具える構成が挙げられる。レセプタクルタイプは、光ファイバの取り回しが不要であるため、扱い易い。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
＜ピッグテールタイプ＞
（実施例１）：端面入射型ＰＤを用いた場合
図１は、本発明光受信器においてピッグテールタイプの例を示す部分断面図、図２（Ａ）は、サブモジュール部分を拡大した正面断面図、（Ｂ）は、（Ａ）の切断Ｂ−Ｂにおける側面断面図である。本発明光受信器１は、光ファイバ１０からの入射光を受光するＰＤ２と、ＰＤ２からの電気信号を増幅するプリアンプＩＣ３と、ＰＤ２とプリアンプＩＣ３とが同一平面上に実装されるサブマウント４と、サブマウント４が実装されるパッケージ５とを具える。
【００２５】
本発明光受信器１は、以下のように製造した。図３は、本発明光受信器の製造工程を示す説明図であり、（Ａ）は、サブモジュールの形成工程、（Ｂ）は、パッケージへの実装工程、（Ｃ）は、ワイヤによる接続工程を示す。図４は、サブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。
【００２６】
（１） サブモジュール形成工程
本例においてＰＤ２は、ＩｎＧａＡｓＰ系材料で形成された波長１μｍ帯から１．６μｍ帯を受光層とする端面入射形で、幅０．２５ｍｍ×長さ０．５ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのものを用いた。なお、幅とは、図２（Ａ）において左右方向の大きさ、長さとは、同上下方向の大きさ、厚さとは、図２（Ｂ）において左右方向の大きさである。増幅素子であるプリアンプＩＣ３は、Ｓｉ−ＩＣで、幅１．０ｍｍ×長さ１．０ｍｍ×厚さ０．３ｍｍのものを用いた。また、本例においてサブマウント４は、アルミナ製の材料基板の同一平面上にＡｕ−Ｓｎで厚さ３μｍのメッキを施してＰＤ２とプリアンプＩＣ３の実装用パターン７（図４参照）を形成した後切り出し、幅１．２５ｍｍ×長さ２．０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍのものを用いた。このサブマウント４の上に、図２（Ａ）に示すようにＰＤ２とプリアンプＩＣ３とを実装する（これをサブモジュール６と呼ぶ）。ＰＤ２は、自動ダイボンダによりＰｂＳｎ半田で半田付けした。プリアンプＩＣ３は、導電性エポキシ樹脂でボンディングした。そして、ＰＤ２とプリアンプＩＣ３とを直径３０μｍのＡｕワイヤ８（図３（Ａ）において破線で示す）で接続する。接続は、自動ワイヤボンダにより行った。なお、図３では、全てのワイヤを記載していない。上記により図３（Ａ）及び図４に示すサブマウント４の同一平面上にＰＤ２とプリアンプＩＣ３とが実装されたサブモジュール６を完成する。
【００２７】
（２） パッケージへの実装工程
本例においてパッケージ５は、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｎｉ製で直径５．６ｍｍ（リードピンの配置位置の中心を通る円の直径２．５４ｍｍ）の同軸型のものを用いた。パッケージ５には、上記サブモジュール６を実装させるポール９を設けておく（図３（Ｂ）参照）。また、パッケージ５には、電源供給や電気信号の取り出しを行うリードピン１１を必要数挿通させておく。リードピン１１は、必要に応じて３〜６本といった形態が考えられる。本例では、３本とし、各リードピン１１の直径はφ０．４５ｍｍとした。このパッケージ５のポール９表面に、サブモジュール６を実装する。サブモジュール６は、ＰＤ２の受光部２ａ（図４参照）が光ファイバ１０（図２参照）からの入射光の光軸とほぼ平行するように、即ち、端面２ｂが光軸にほぼ直交するように実装した。サブモジュール６の実装は、自動ダイボンダによりＡｕＰｂ半田で半田付けにより行った。また、サブモジュール６の実装は、図３（Ｂ）に示す状態から９０°回転させて図３（Ｃ）に示すようにリードピン１１の軸方向が水平方向になるように配置して行うと、作業性がよい。
【００２８】
（３） ワイヤによる接続工程
次に、ＰＤ２とリードピン１１間（図２（Ｂ）参照）、プリアンプＩＣ３とリードピン１１間（図３（Ｃ）参照）、サブモジュール６とポール９間（同）をそれぞれ直径３０μｍのＡｕワイヤ８で接続する。接続は、自動ワイヤボンダにより連続的に行った。また、接続は、上記と同様にリードピン１１の軸方向が水平方向になるように配置して行うと、作業性がよい（同）。
【００２９】
（４） 上記工程で得られたパッケージ５に対し、頂上部に集光レンズ１２を具えるキャップ１３を被せ、電気溶接によりパッケージ５にキャップ１３を固定する（図２参照）。このとき、リードピン１１の軸方向が垂直方向となるように配置して行うと作業性がよい。次に、図１に示すようにキャップ１３を固定したパッケージ５を金属製スリーブ１４に取り付け、光ファイバ１０を固定した円筒状の金属製ホルダー１５をスリーブ１４の上方に挿入する。そして、光ファイバ１０から入射光をＰＤ２に入れて、最適な出力となるところでホルダー１５をスリーブ１４に固定する。最後に、ホルダー１５にカバー１６を挿通させてピッグテールタイプの本発明光受信器１が完成する。
【００３０】
このような本発明光受信器は、同一のサブマウント上にＰＤとプリアンプＩＣとを実装させていることにより、寄生インダクタンスや寄生容量などを大幅に低減させることができ、より高速応答が可能である。また、上記のように本発明光受信器の製造方法は、パッケージ内にプリアンプＩＣを具えることで、光受信器の形成後にＰＤとプリアンプＩＣとの接続工程がなく、従来と比較して製造時間を短縮することができる。
【００３１】
（実施例２）：裏面入射形ＰＤを用いた場合
本発明光受信器において受光素子は、実施例１に示す端面入射形ＰＤだけでなく、裏面入射形ＰＤを用いてもよい。基本的構成及び製造は、実施例１と同様に行うとよい。異なる点は、サブマウント４に反射面２０ａを設ける点である。以下、この点を中心に説明する。
【００３２】
（２−１：サブマウントの内部に入射光を透過させる例）
図５は、裏面入射形ＰＤを用いると共に、入射光を内部に透過させるサブマウントを用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。本例においてサブマウント４Ａは、ガラス製で、幅１．０ｍｍ×最大の長さ２．５ｍｍ×厚さ２．５ｍｍのものを用いた。本例において幅とは、図５（Ａ）において上下方向の大きさ、最大の長さとは、同（Ｂ）において左右方向の最大の大きさ、厚さとは、同上下方向の大きさであり、後述する図６についても同様である。このサブマウント４Ａの一面を研磨して傾斜を設け、この傾斜面にＡｕメッキを施して反射面２０ａを形成する。また、サブマウント４Ａには、反射面２０ａを形成した後、Ａｕ−Ｓｎで厚さ３μｍのメッキを施して実装用パターン７を設ける。以下、実施例１で説明した製造工程と同様にして、ＰＤ２及びプリアンプＩＣ３を実装したサブモジュール６Ａを得る。本例では、受光部２ａ側の面と対向する面を実装用パターン７に接させてＰＤ２をサブマウント４Ａに実装した。また、得られたサブモジュール６Ａは、反射面２０ａが光ファイバ（図２参照）からの入射光Ｌの光軸と対向するように、即ち、サブマウント４Ａの端面４’が光軸とほぼ直交するようにパッケージ４（同）に実装する。後述する実施例２−２、２−３についても同様である。
【００３３】
本例においてＰＤ２は、波長１．０μｍから波長１．６μｍの長波長帯域でよく用いられるＩｎＧａＡｓ系ＰＤ（幅０．５ｍｍ、長さ０．５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、受光部２ａの径５０μｍ）を用いた。ＰＤ２が裏面入射形であることで、ＰＤ２をサブマウント４に実装した際、受光部２ａがサブマウント４と対向する側（図５（Ｂ）では上側）になる。この構成により、光ファイバからの入射光Ｌは、サブマウント４Ａの内部を透過して上記反射面２０ａに当たり、反射面２０ａで光路を屈折させて、サブマウント４Ａに実装されたＰＤ２の受光部２ａに入射することができる。
【００３４】
本例は、裏面入射形のＰＤ２を用いることで１Ｇｂｐｓ以上の高速動作が可能であり、より高速対応に適する。また、本例では、サブマウント４の同一平面上に高速動作が可能なプリアンプＩＣ３を近接させて実装し、ＰＤ２とＩＣ３とをワイヤ８により直接接続する。そのため、裏面入射形のＰＤ２の優れた特性を最大に利用することが可能である。
【００３５】
（２−２：サブマウントに反射面を設けた例）
図６は、裏面入射形ＰＤを用いると共に、反射面を設けたサブマウントを用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。上記実施例２−１では、サブマウント４Ａの内部に入射光Ｌを透過させるものを説明したが、入射光Ｌを透過させない基板、例えば、Ｓｉ単結晶からなるサブマウント４Ｂを用いてもよい。このようなサブマウント４Ｂを用いたサブモジュール４Ｂは、反射面２０ａに光ファイバ（図２参照）からの入射光Ｌが当接するようにパッケージ４（同）に実装するとよい。
【００３６】
（２−３：サブマウントに光路溝を設けた例）
上記実施例２−１、２−２では、サブマウントに反射面のみ具えるものを説明したが、反射面により確実に入射光を導入するためには、サブマウントに光路溝をも具えることが好ましい。そこで、サブマウントに反射面に加えて光路溝を具える例を説明する。図７は、光路溝を具えるサブマウントを用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。このサブモジュール６Ｃは、基本的構成は実施例２−２と同様であり、異なる点は、サブマウント４Ｃに光路溝２０を具える点である。以下、この点を中心に説明する。
【００３７】
本例では、以下のようにしてサブマウント４Ｃに反射面２０ａ及び光路溝２０を形成した。Ｓｉ（｛１００｝面）からなる材料基板上に絶縁層として厚さ１μｍのＳｉＯ２膜（図示せず）をプラズマＣＶＤ法にて形成する。次に、ＳｉＯ２層の一部及び材料基板をケミカルエッチングにより除去して、光ファイバ１０（図１参照）からの入射光をＰＤ２に導くための光路溝２０を形成する。本例において光路溝２０は、幅２５０μｍ、深さ１７７μｍ、最大の長さ２００μｍとした。なお、幅とは、図７（Ａ）において上下方向の大きさ、最大の長さとは、同左右方向の最大の大きさ、深さとは、図５（Ｂ）において上下方向の大きさであり、後述する実施例２−４も同様である。また、本例では、光路溝２０の各面（｛１１１｝面）にＡｕメッキを施し、一面を反射面２０ａとした。
【００３８】
上記反射面２０ａ及び光路溝２０を設けた材料基板に上記実施例１と同様に実装用パターン７を形成し、その後切り出してサブマウント４Ｃを得る。サブマウント４Ｃの大きさは、実施例１と同様とした。以下、実施例１で説明した製造工程と同様にして、このサブマウント４ＣにＰＤ２及びプリアンプＩＣ３を実装したサブモジュール６Ｃを得る。本例においてサブモジュール６Ｃは、実施例２−１と同様にＰＤ２の受光部２ａ側の面と対向する面を実装用パターン７に接させて、ＰＤ２が光路溝２０を覆うようにサブマウント４Ｃ上に実装した。以下、実施例１で説明した製造工程と同様である。
【００３９】
この構成により、本例では、図７（Ｂ）に示すようにサブマウント４Ｃの光路溝２０に入射光が導入されて反射面２０ａに当たり、反射面２０ａで光路を屈折させて、サブマウント４Ｃに実装されたＰＤ２の受光部２ａに入射光を入射させることができる。
【００４０】
（２−４：反射面を二つ具える例）
上記実施例２−３では、サブマウントに反射面を一つ具えるものを説明したが、反射面は二つあってもよい。そこで、反射面を二つ具える例を説明する。図８は、反射面を二つ具えるサブマウントを用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。このサブモジュール６Ｄは、基本的構成は実施例２−３と同様であり、異なる点は、サブマウント４Ｄに二つの反射面を具える点である。以下、この点を中心に説明する。
【００４１】
本例では、上記実施例２−３と同様にしてサブマウント４Ｄに光路溝２０を形成した。即ち、Ｓｉ（｛１００｝面）からなる材料基板上に厚さ１μｍのＳｉＯ２膜（図示せず）をプラズマＣＶＤ法にて形成し、このＳｉＯ２層の一部及び材料基板をケミカルエッチングにより除去して、光路溝２０を形成する。本例において光路溝２０は、幅１００μｍ、最大の長さ１，０００μｍ、深さ１００μｍとした。また、本例では、光路溝２０の各面（｛１１１｝面）にＡｕメッキを施し、対向する二面を反射面２０ａとした。
【００４２】
上記反射面２０ａ及び光路溝２０を設けた材料基板に上記実施例２−３と同様に実装用パターンを形成した後切り出してサブマウント４Ｄを得る。このサブマウント４Ｄ上にＰＤ２を実装してサブモジュール６Ｄを得る。本例においてサブモジュール６Ｄは、ＰＤ２の受光部２ａ側の面と対向する面を実装用パターン７に接させて、ＰＤ２が光路溝２０の一部を覆うようにサブマウント４Ｄ上に実装した。サブマウント４Ｄの大きさは、実施例１と同様とした。
【００４３】
本例において上記サブモジュール６Ｄは、ＰＤ２の受光部２ａが光ファイバ（図２参照）からの入射光Ｌの光軸とほぼ直交するように、即ち、サブマウント４Ｄの反射面２０ａが光軸と対向するようにパッケージ４（同）に実装する。このとき、ＰＤ２の受光部２ａは、図８（Ｂ）において上側を向いた状態である。以下、実施例１で説明した製造工程と同様である。
【００４４】
この構成により、図８（Ｂ）に示すようにサブマウント４Ｄの一方の反射面２０ａにあたった入射光Ｌは、光路を屈折させて光路溝２０に導入され、光路溝２０を経てもう一方の反射面２０ａに当たり、この反射面２０ａで再び光路を屈折させて、ＰＤ２の受光部２ａに入射させることができる。
【００４５】
（実施例３）：上面入射形ＰＤを用いた場合
図９は、上面入射形ＰＤを用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。本発明光受信器において受光素子は、実施例１に示す端面入射形ＰＤ、実施例２に示す裏面入射形ＰＤ以外に上面入射形ＰＤを用いてもよい。基本的構成及び製造は、実施例２−３と同様に行うとよく、反射面２０ａ及び光路溝２０を設けたサブマウント４にＰＤ２を実装する。本例では、受光部２ａをサブマウント４側に向けて配置する。受光部２ａとプリアンプＩＣ３とは、実装用パターン７及びワイヤ８を介して接続する。本例は、上記実施例２に示す裏面入射形ＰＤほどの高速動作を必要としない場合に適用することが好ましい。
【００４６】
（実施例４）：ＰＤを傾斜実装した場合
図１０は、ＰＤの端面を入射光の光軸に対して傾きをもって基板に実装した状態を示すサブモジュールの正面図である。図１０に示すサブモジュール６は、ＰＤ２の端面２ｂ（入射光と対向する面）の垂線を入射光の光軸２１に対してθ＝８°傾斜させてＰＤ２をサブマウント４に実装している。この配置により、本例は、入射光が端面２ｂで反射されても、光ファイバ１０側に戻ることがなく、送信側の発光素子の動作を不安定にするという不具合をなくすることができる。このような実装は、実施例１、実施例２−１〜２−３、実施例３、実施例４のようにＰＤの端面が入射光の光軸と対向するように配置される場合に適用するとよい。また、後述するレセプタクルタイプにおいても、このような実装が適用できる。
【００４７】
＜レセプタクルタイプ＞
（実施例５）
図１１は、本発明光受信器においてレセプタクルタイプの例を示す縦断面図である。上記実施例１〜４では、ピッグテールタイプの光受信器を説明したが、本発明光受信器は、レセプタクルタイプのものも適用できる。光受信器３０は、光ファイバフェルール４１を具えるコネクタ４０の接続部３１を図１１において上方に具え、サブモジュール６の保持部であるステム５’を同下方に具える。接続部３１は、光ファイバフェルール４１が挿入される挿入孔３２を有する。本例では、挿入孔３２の端部（ステム５’側）には、光ファイバ３３を具えるスタブ３４を配置させている。ステム５’は、実施例１などと同様にサブモジュール６を実装するポール９’、電源供給や電気信号の取り出しを行うリードピン１１を具える。また、ステム５’には、実施例１などと同様に頂上部に集光レンズ１２を具えるキャップ１３を被せている。
【００４８】
このような本発明光受信器３０も上記実施例１〜４と同様に寄生インダクタンスや寄生容量を大幅に低減して、より高速応答が可能である。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明光受信器によれば、同一の基板上に受光素子と増幅素子とを実装することで、寄生インダクタンスや寄生容量などを大幅に低減させて、より高速応答が可能であるという優れた効果を奏し得る。そのため、本発明光受信器は、１Ｇｂｐｓ以上といった高速大容量伝送への適用が可能である。また、本発明光受信器は、受光素子と増幅素子とを一体に実装した基板をパッケージ上に実装するため、光受信器を実装するボードの必要面積を小さくすることが可能である。更に、本発明光受信器は、従来と比較してより少ない製造工程で製造することができ、短時間での量産が可能であると推測される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明光受信器においてピッグテールタイプの例を示す部分断面図である。
【図２】（Ａ）は、サブモジュール部分を拡大した正面断面図、（Ｂ）は、（Ａ）の切断Ｂ−Ｂにおける側面断面図である
【図３】本発明光受信器の製造工程を示す説明図であり、（Ａ）は、サブモジュールの形成工程、（Ｂ）は、パッケージへの実装工程、（Ｃ）は、ワイヤによる接続工程を示す。
【図４】端面入射形ＰＤを用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。
【図５】裏面入射形ＰＤを用いると共に、入射光を内部に透過させる基板を用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。
【図６】裏面入射形ＰＤを用いると共に、反射面を設けた基板を用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。
【図７】裏面入射形ＰＤを用いると共に、光路溝を具える基板を用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。
【図８】反射面を二つ具える基板を用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。
【図９】上面入射形ＰＤを用いたサブモジュールの拡大模式図であり、（Ａ）は、正面図、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図である。
【図１０】ＰＤの端面を入射光の光軸に対して傾斜させて基板に実装した状態を示すサブモジュールの正面図である。
【図１１】本発明光受信器においてレセプタクルタイプの例を示す縦断面図である。
【図１２】従来の光受信器の縦断面構造を示し、（Ａ）は、正面断面図、（Ｂ）は、（Ａ）の切断Ｂ−Ｂにおける側面断面図である。
【図１３】従来の光受信器をボードに実装した状態を示す側面図である。
【符号の説明】
１、３０ 光受信器 ２ ＰＤ ２ａ 受光部 ２ｂ 端面 ３ プリアンプＩＣ
４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ サブマウント ４’ 端面 ５ パッケージ ５’ ステム
６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ、６Ｄ サブモジュール ７ 実装用パターン ８ ワイヤ
９、９’ ポール １０ 光ファイバ １１ リードピン １２ 集光レンズ
１３ キャップ １４ スリーブ １５ ホルダー １６ カバー
２０ 光路溝 ２０ａ 反射面 ２１ 光軸
３１ 接続部 ３２ 挿入孔 ３３ 光ファイバ ３４ スタブ ４０ コネクタ
４１ 光ファイバフェルール
１００ 光受信器 １０１ ＰＤ １０２ サブマウント １０３ パッケージ
１０４ リードピン １０５ ワイヤ １０６ 集光レンズ １０７ キャップ
１０８ 光ファイバ １０９ ボード １１０ 増幅素子 １１１ 配線パターン
Claims (13)
- 光ファイバからの入射光を受光する受光素子と、
前記受光素子からの電気信号を増幅する増幅素子と、
前記両素子が同一平面上に実装される基板と、
前記基板が実装されるパッケージとを具えることを特徴とする光受信器。 - 基板は、Ｓｉ単結晶、ガラス、セラミックのいずれかにより形成されることを特徴とする請求項１に記載の光受信器。
- 基板には、入射光の光路を屈折させて受光素子に入射させる反射面を具えることを特徴とする請求項１又は２記載の光受信器。
- 更に、基板には、入射光の光路溝を具えることを特徴とする請求項３記載の光受信器。
- 光路溝は、エッチングにより形成されたことを特徴とする請求項４に記載の光受信器。
- 受光素子は、裏面入射形又は上面入射形であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光受信器。
- 受光素子は、上面入射形であり、受光素子の受光面を基板側に向けて実装したことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光受信器。
- 受光素子は、端面入射形であることを特徴とする請求項１又は２記載の光受信器。
- 受光素子は、その端面が入射光の光軸に対して非直交となるように基板上に実装されることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光受信器。
- パッケージが同軸型であることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光受信器。
- 受光素子は、ＩｎＧａＡｓ系材料又はＩｎＧａＡｓＰ系材料から形成され、波長１μｍ帯から１．６μｍ帯を受光層とすることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の光受信器。
- 一端に光ファイバを具えるピッグテールタイプ又は一端に光コネクタとの接続部を有するレセプタクルタイプであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の光受信器。
- 光ファイバからの入射光を受光する受光素子とこの受光素子からの電気信号を増幅する増幅素子とを基板の同一平面上に実装してサブモジュールを形成する工程と、
前記サブモジュールをパッケージに実装する工程と、
前記パッケージに具える複数のリードピンと前記各素子とをそれぞれワイヤにて接続する工程とを具えることを特徴とする光受信器の製造方法。
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