JP2005004123A

JP2005004123A - 光強度モニタ用タップモジュール

Info

Publication number: JP2005004123A
Application number: JP2003170259A
Authority: JP
Inventors: Hisao Nagata; 久雄永田
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2003-06-16
Filing date: 2003-06-16
Publication date: 2005-01-06

Abstract

【課題】部品点数が少なく、従って組立作業の容易なタップモジュールを提供する。
【解決手段】出射側の光ファイバ５４と、光ファイバより出射される光を集光するレンズ１０と、レンズの集光点に端面が配置された入射側の光ファイバ５６と、レンズと入射側の光ファイバとの間に配置された透過型の半導体受光素子４６とを備えている。半導体受光素子は、セラミック基板４８に設けられている。光ファイバ５４，５６の先端には、それぞれフェルール６０，６２が設けられている。
【選択図】図６

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光強度モニタ用タップモジュール、特に光ファイバ伝送路内に挿入できる光強度モニタ用タップモジュールに関する。
【０００２】
【従来の技術】
受光素子を用いて光ファイバを伝播する光の強度をモニタする場合、誘電体多層膜フィルタや金属半透膜を用いて光の一部を反射し、残りを透過させる素子を用いて光を分岐または分波し、いずれかの光を受光素子で受け、他方を光ファイバに戻す必要があった。
【０００３】
具体的な例として、光ファイバを伝播する光の強度をモニタするデバイスであるタップモジュールがある。これは例えば図１（Ａ）に示すように構成される。レンズ１０（図では屈折率分布型ロッドレンズの例を示す）を用いて光ファイバ（図示せず）から入射する光を平行光に変換し、所望の波長の光のみ多層膜反射鏡１２を透過させて受光素子１４（フォトダイオード）に入射させる。その他の波長は多層膜反射鏡１２で反射させ、光ファイバに戻す。
【０００４】
受光素子の受光面積が小さい場合には、図１（Ｂ）に示すように多層膜を透過した平行光を集光するため第２のレンズ１６が挿入される。
【０００５】
このような構成では、光学系を構成する部品点数が多くなり、各部品の位置合わせを伴う組立作業も煩雑となる。
【０００６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は部品点数が少なく、従って組立作業の容易な光強度モニタ用タップモジュールを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光強度モニタ用タップモジュールは、出射側の光ファイバと、光ファイバより出射される光を集光するレンズと、レンズの集光点に端面が配置された入射側の光ファイバと、レンズと入射側の光ファイバとの間に配置された透過型の半導体受光素子とを備える。
【０００８】
半導体は有限の吸収係数を有しており、その透過率は吸収係数と膜厚から決まる。そこで半導体受光素子の入射光に対して吸収する材料の厚さを制御し、透過率を制御する。この結果、受光素子に光電変換機能だけではなく、入射光の一部を取り出すというタップ機能をもたせることができる。特に基板が入射光に透明であるとき、光吸収層の膜厚のみで透過率を制御できる。
【０００９】
この半導体受光素子には、入射光の一部を電気に変換する機能と、残りを透過する機能を持ち合わせるため、タップモジュールに応用した場合に少なくとも従来必要であった光を分岐する部品、たとえば誘電体多層膜や半透膜が不必要になる。これによりタップモジュールを作製する際、部品点数を少なくすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
まず、本発明のタップモジュールに用いられる透過型の半導体受光素子の一例であるフォトダイオードの構造を、図２に基づいて説明する。（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ′線断面図である。
【００１１】
ｎ型ＩｎＰ基板２０上に順次、ｎ型ＩｎＰバッファ層（図示せず、必須ではない）、アンドープＩｎＧａＡｓ層２２、ｎ型ＩｎＰキャップ層２４をＭＯＶＰＥ法により成長した。この際、アンドープＩｎＧａＡｓ層２２は光吸収層として作用し、その膜厚を０．１３μｍに設定した。プラズマＣＶＤ法により形成したＳｉＮ膜を拡散用のパッシベーション膜として用い、一部にＺｎを拡散して拡散領域（ｐ型領域）２６を形成した。これは、２つの直径８０μｍの円が重なった形状で、一方は受光領域に相当し、他方は電極を取り出す部分に相当する。Ｚｎ拡散は、ＺｎがＩｎＰキャップ層２４を抜け、ＩｎＧａＡｓ層２２に一部達するように時間を制御した。Ｚｎ拡散領域２６とＩｎＰ基板２０との間にｐｎ接合が形成される。種々の予備実験から、Ｚｎ拡散はＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓの界面から約０．０５μｍ程度ＩｎＧａＡｓ層２２側に入り込んでいるものと推定している。基板全面に反射防止膜２８を設け、電極領域を開口し、拡散領域２６にアノード電極３０を設けた。ＩｎＰ基板２０の裏面を研磨し、ポリッシングを施した後、反射防止膜３２を形成した。反射防止膜の一部を開口し、カソード電極３４を設けた。
【００１２】
物質の光透過率は、光の吸収係数をα、光を透過させる長さをＬとすると、
Ｉ／Ｉ_０＝ｅｘｐ（−α・Ｌ）
で表すことができる。ここで、Ｉは透過光の強度、Ｉ_０は入射光の強度を表す。ＩｎＧａＡｓの１．５５μｍの波長に対する吸収係数は、約８０００ｃｍ^−１であることが知られている。
【００１３】
例えば、入射光の５０％を吸収，５０％を透過させる場合には、ＩｎＧａＡｓの厚さは約０．８７μｍ必要であり、入射光の１０％を吸収，９０％を透過させる場合には、０．１３μｍの厚さが必要であることがわかる。本実施例では、１０％の光を吸収させるために、前述したようにＩｎＧａＡｓ層２２の膜厚を０．１３μｍに設定した。
【００１４】
フォトダイオードの透過率を測定した結果、感度は１．５５μｍの波長で０．０９Ａ／Ｗであった。一方、透過率は８６％であった。この透過率は、内部の膜（ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓ界面）による反射、反射防止膜の問題、内部での散乱などの影響を受ける。
【００１５】
図２に示した透過型フォトダイオードでは、カソード電極３４は、ＩｎＰ基板２０の裏面に設けられている。これに対し、ＩｎＰ基板の表面側に設けた透過型フォトダイオードの例を説明する。
【００１６】
図３にこのような透過型フォトダイオードを示す。（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ′線断面図である。
【００１７】
ｎ型ＩｎＰ基板２０上に順次、ｎ型ＩｎＰバッファ層（図示せず、必須ではない）、アンドープＩｎＧａＡｓ層２２、ｎ型ＩｎＰキャップ層２４をＭＯＶＰＥ法により成長した。この際、アンドープＩｎＧａＡｓ層２２は光吸収層として作用し、その膜厚を０．１３μｍに設定した。プラズマＣＶＤ法により形成したＳｉＮ膜を拡散用のパッシベーション膜として用い、一部にＺｎを拡散して拡散領域（ｐ型領域）２６を形成した。これは、２つの直径８０μｍの円が重なった形状で、一方は受光領域に相当し、他方は電極を取り出す部分に相当する。Ｚｎ拡散は、ＺｎがＩｎＰキャップ層２４を抜け、ＩｎＧａＡｓ層２２に一部達するように時間を制御した。種々の予備実験から、拡散はＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓの界面から約０．０５μｍ程度ＩｎＧａＡｓ層側に入り込んでいるものと推定している。基板全面に反射防止膜２８を設け、電極領域を開口し、拡散領域の一部にアノード電極３０を設けた。また、表面の非拡散領域上の反射防止膜２８の一部に電極領域を開口し、カソード電極３４を設けた。基板２０の裏面を研磨し、ポリッシングを施した後、反射防止膜３２を形成した。この構造は基板片側のみから電気配線を行う必要がある場合に有効である。
【００１８】
上述した２つの透過型フォトダイオードについて、暗電流、電気容量、直線性、遮断周波数、感度（量子効率）、暗電流の温度特性を測定した結果、裏面のカソード電極を用いた場合と、表面に設けたカソード電極を用いた場合とで、いずれの項目についても差異はなかった。
【００１９】
【実施例１】
上述した透過型フォトダイオードを用いてタップモジュールを作製した。図４，および図５にタップモジュールの外部斜視図を、図６に内部の光学系を示す。
【００２０】
図４は、タップモジュール４０が、円筒状の筐体４２を備える場合を、図５は、タップモジュール４０が、角筒状の筐体４２を備える場合を示す。
【００２１】
筐体４２の側部には挿入口が設けられており、この挿入口には透過型フォトダイオードが挿入される。
【００２２】
光学系は、図６に示すように、セラミック基板４８に実装された透過型フォトダイオード４６と、屈折率分布型ロッドレンズ１０とを備えている。セラミック基板は、フォトダイオード４６からリード線を引き出すために必要となる。
【００２３】
セラミック基板４８には、切り欠き部が設けられており、透過型フォトダイオード４６は、切り欠き部に取り付けられている。このようにして、フォトダイオードへの入射光、あるいはフォトダイオードの透過光を、セラミック基板が遮らないようにしている。光を遮らないという目的のためには、切り欠き部ではなく開口を設けたセラミック基板を用いてもよい。また多少の損失があっても問題にならない場合は、入射光に対して透明な基板を用いることもできる。光通信で用いられる１．３あるいは１．５５μｍ帯の光に対し、例えばシリコン，ガラス，石英，アルミナ，サファイヤなどが透明な材料である。
【００２４】
図７に、セラミック基板４８からのリード線の引き出しを示す。フォトダイオード４６のチップ上の電極と、セラミック基板４８上にプリント配線等によって設けたパッドとを、ワイヤボンディングまたはフリップチップボンディングにより電気的に接続し、パッドに電気的に接続されたリード線５２が外部に引き出されている。これを、標準的な半導体素子用パッケージのステムに固定しリード線を取り出す。
【００２５】
出射側光ファイバ５４，入射側光ファイバ５６のそれぞれ先端には、図６に示すように、フェルール６０，６２がそれぞれ設けられている。フェルールは、円筒状に加工した金属、セラミックス、またはガラスの中心軸付近に光ファイバの外径よりやや大きい内径をもつ細孔を穿け、この細孔に被覆を取り除いた光ファイバ心線の先端部を挿入し、接着剤等で固定する。ロッドレンズの外径とフェルールの外径を一致させておくと、後述のモジュール組立の際に好都合である。なお、ロッドレンズは、その端面での反射による戻り光を低減するため、端面を斜め加工することもできる。あるいは、光ファイバの端面を斜め加工することもできる。
【００２６】
実際のモジュールを構成するには、レンズ，フェルール，フォトダイオードを筐体に納め、光軸を合わせて固定しなければならない。その際、２本の光ファイバとフォトダイオードのリード線を筐体外に取り出す必要がある。
【００２７】
そこで次のような組立方法がとられる。筐体の一方の側から、レンズ１０と光ファイバ５４を固定したフェルール６０を挿入し、筐体の他方の側から、光ファイバ５６を固定したフェルール６２を挿入し、出射側の光ファイバ５４から出射した光が入射側光ファイバ５６に入射するように調芯を行う。なお、光ファイバ５６の端面は、レンズ１０の集光点に配置される。
【００２８】
円筒状筐体の場合は、レンズ１０とフェルール６０の外径を一致させておき、これより内径をやや大きく設定した筐体に、これらを挿入することにより、光軸に垂直方向の位置合わせが容易に行える。角筒状筐体の場合は、筐体内にＶ字状の溝を設け、これにレンズ１０とフェルール６０，６２を載置することにより位置合わせが行える。筐体の両側から取り出される光ファイバは、折れを防止するため樹脂６４等で筐体４２に固定される。
【００２９】
透過型フォトダイオード４６は、挿入孔４４から挿入される。フォトダイオードの受光面はある程度の面積をもっているので、位置合わせはそれほど高い精度は要求されず、挿入孔に挿入し接着するだけで通常の目的は達せられる。
【００３０】
以上のような構成のタップモジュール４０では、出射側光ファイバ５４から出射した光をレンズ１０で集光し、透過型フォトダイオード４６に入射する。フォトダイオード４６を透過した光は、入射側光ファイバ５６に入射する。
【００３１】
前述したように８６％の光はフォトダイオード４６を透過するので、透過光は、フォトダイオード裏面側に配置した光ファイバ５６に結合される。
【００３２】
このタップモジュールの特性を評価したところ、フォトダイオードは、入射光の強度に対して０．０９Ａ／Ｗの感度を有し、またファイバ−ファイバ間では０．８２ｄＢの損失となった。
【００３３】
以上の実施例では、レンズは屈折率分布型ロッドレンズを使用しているが、通常の球面レンズ，非球面レンズあるいは球レンズを使用することもできる。また、光ファイバの先端を曲面状に加工してレンズ作用を付与した先球ファイバを、使用することもできる。
【００３４】
【実施例２】
本実施例では、図２または図３に示した透過型フォトダイオードにおいて、ＩｎＰ基板２０を薄くしたものを用いる。ＩｎＰ基板を薄くすることによって、透過型フォトダイオードの両面に光ファイバを突き合わせた構成のタップモジュールを作製することができる。
【００３５】
図８に、このようなタップモジュールを概略的に示す。透過型フォトダイオード４６の両面に、出射側光ファイバ５４と入射側光ファイバ５６とが突き合わされている。
【００３６】
このようなタップモジュールでは、光ファイバの先端はフォトダイオードの表面に近接した状態となるので、組立においてはむしろフォトダイオードを先に固定し、これに突き当てるように光ファイバを固定する方がよい。
【００３７】
このようなタップモジュールは、フォトダイオードのＩｎＰ基板の吸収が無視できない場合に応用すると、基板の影響が小さくなる。
【００３８】
また、本実施例のタップモジュールでは、入射側光ファイバあるいは出射側光ファイバ、もしくは両方の光ファイバとも、光ファイバの先端に加工を施した先球ファイバを用いることができる。まったく集光を行わない場合より、結合効率の改善が期待できる。
【００３９】
【実施例３】
本実施例では、図２または図３に示した透過型フォトダイオードにおいて、ＩｎＰ基板２０の一部をエッチングして凹部を形成し、そこに受光部を配置したものを用いる。
【００４０】
このようなフォトダイオードを、タップモジュールに応用したときに、ファイバ間の間隔を狭くでき、結合損失を小さくできる。
【００４１】
図９に、このような透過型フォトダイオード７０を用いたタップモジュールを概略的に示す。このようなタップモジュールは、基板の吸収が無視できない場合にも応用でき、基板による光吸収の影響を小さくできる。
【００４２】
このようなタップモジュールでは、第２実施例のタップモジュールと同様に、光ファイバの先端はフォトダイオードの表面に近接した状態となるので、組立においてはむしろフォトダイオードに先に固定し、これに突き当てるように光ファイバを固定する方がよい。
【００４３】
また、第２実施例と同様に、入射側光ファイバあるいは出射側光ファイバ、もしくは両方の光ファイバとも、光ファイバの先端に加工を施した先球ファイバを用いることができる。まったく集光を行わない場合より、結合効率の改善が期待できる。
【００４４】
【実施例４】
本実施例では、図２または図３に示した透過型フォトダイオードにおいて、ＩｎＰ基板の裏面にレンズを作り込んだ、すなわち集積化したフォトダイオードを用いる。基板のエッチングでレンズが形成されているが、表面にレンズを成型してもよい。
【００４５】
図１０に、このような透過型フォトダイオード７２を用いたタップモジュールを概略的に示す。７４は、レンズを示している。両面に出射側光ファイバ５４と入射側光ファイバ５６とが突き合わされている。
【００４６】
このようなタップモジュールによれば、集積化レンズ７４により、基板を薄くすることなく、結合効率を維持できる。入射方向は、レンズ表面側からでも基板側からでもよい。
【００４７】
以上の各実施例では、出射側光ファイバからの光は、半導体受光素子を透過した後、入射側光ファイバに結合しているが、平板光導波路から光ファイバ、光ファイバから平板光導波路、平板光導波路同士の結合でもよい。
【００４８】
反射戻り光（バックリフレクション）が問題になる場合には、フォトダイオードを傾けてもよい。
【００４９】
【実施例５】
図１１は、空間光学系応用のための例を示しており、ファイバ７６あるいは導波路から出射した光をレンズ７８により平行光にする光学系に透過型フォトダイオードを挿入することもできる。あるいは逆に、平行光を集光してファイバあるいは導波路に結合する系でも同じである。
【００５０】
この系は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を用いた可動反射鏡による光スイッチと組み合わせることで、スイッチ機能の確認、パワーのモニタが可能となる。またこの系は、平行光が伝播する光路の一部に挿入することもできる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、部品点数が少なく、従って組立作業の容易なタップモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のタップモジュールを示す図である。
【図２】透過型フォトダイオードの一例を示す図である。
【図３】透過型フォトダイオードの他の例を示す図である。
【図４】本発明のタップモジュールの第１の実施例の外観の一例を示す図である。
【図５】本発明のタップモジュールの第１の実施例の外観の他の例を示す図である。
【図６】本発明のタップモジュールの第１の実施例の光学系を示す図である。
【図７】本発明のタップモジュールの第１の実施例のリード線の取り出しを示す図である。
【図８】本発明のタップモジュールの第２の実施例を示す図である。
【図９】本発明のタップモジュールの第３の実施例を示す図である。
【図１０】本発明のタップモジュールの第４の実施例を示す図である。
【図１１】本発明のタップモジュールの第５の実施例を示す図である。
【符号の説明】
２０ｎ型ＩｎＰ基板
２２アンドープＩｎＧａＡｓ層
２４ｎ型ＩｎＰキャップ層
２６Ｚｎ拡散領域
２８，３２反射防止膜
３０アノード電極
３４カソード電極
４０タップモジュール
４２筐体
４４挿入孔
４６，７０，７２透過型フォトダイオード
４８セラミック基板
５２リード線
５４出射側光ファイバ
５６入射側光ファイバ
６０，６２フェルール
７４，７８レンズ

Claims

出射側の光ファイバと、
前記光ファイバより出射される光を集光するレンズと、
前記レンズの集光点に端面が配置された入射側の光ファイバと、
前記レンズと前記入射側の光ファイバとの間に配置された透過型の半導体受光素子と、
を備える光強度モニタ用タップモジュール。
前記レンズは、屈折率分布型ロッドレンズ，球面レンズ，非球面レンズ，球レンズよりなる群から選ばれる、請求項１に記載の光強度モニタ用タップモジュール。
前記透過型の半導体受光素子は、基板上にｐｎ接合が形成されたフォトダイオードである、請求項１または２に記載の光強度モニタ用タップモジュール。
出射側の光ファイバと、
入射側の光ファイバと、
前記出射側の光ファイバと、前記入射側の光ファイバとの間に配置された透過型の半導体受光素子と、
を備える光強度モニタ用タップモジュール。
前記透過型の半導体受光素子は、基板上にｐｎ接合が形成されたフォトダイオードであり、前記出射側光ファイバの端面および前記入射側光ファイバの端面は、前記フォトダイオードに当接されている、請求項４に記載の光強度モニタ用タップモジュール。
前記透過型の半導体受光素子は、基板上にｐｎ接合が形成されたフォトダイオードであり、前記ｐｎ接合に対応する前記基板の部分に凹部が形成され、前記凹部が形成された部分に、前記出射側光ファイバの端面および前記入射側光ファイバの端面が当接されている、請求項４に記載の光強度モニタ用タップモジュール。
前記透過型の半導体受光素子は、基板上にｐｎ接合が形成され、前記基板の表面または裏面にレンズが形成されたフォトダイオードであり、前記出射側光ファイバの端面および前記入射側光ファイバの端面は、前記フォトダイオードに当接されている、請求項４に記載の光強度モニタ用タップモジュール。
出射側または入射側の光ファイバと、
光を平行光にするレンズと、
前記レンズと前記光ファイバとの間に配置された透過型の半導体受光素子と、を備える光強度モニタ用タップモジュール。
前記レンズは、屈折率分布型ロッドレンズ，球面レンズ，非球面レンズ，球レンズよりなる群から選ばれる、請求項８に記載の光強度モニタ用タップモジュール。