JP2005056978A - 受光素子およびそれを用いた受光、受発光、光通信モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】側面入射型受光素子において、受光面形状を凸状あるいは互いに鈍角をなす複数の斜面で構成することにより、受光効率を高め、受光部の接合容量を低減できる光通信用受光素子を提供する。
【解決手段】本発明に係る受光素子は、ＩｎＰ基板１０１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層１０２、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０３、ｎ−ＩｎＰ窓層１０４が順次形成されている。Ｚｎが拡散されたｐ型領域１０５を、ｎ−ＩｎＰ窓層１０４を貫通する様に形成する事で、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０３中あるいは近傍にｐｎ接合が形成され、受光部となる。
ＩｎＰ基板１０１の側面に、ＩｎＰ基板１０１の裏面とは直角でない面を成す第一の入射部１０６と第二の入射部１０７とがあり、これらが互いになす稜線は入射部全体の長手方向とほぼ平行であり、第一の入射部１０６及び第二の入射部１０７とは鈍角をなす。信号光は、第一の入射部１０６と第二の入射部１０７より入射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、側面入射型受光素子に関するものであり、特に光通信モジュールに用いられる受光素子に関する。

従来の光ファイバ等を用いた光通信では、伝送時の光ファイバ内での損失を抑えるため、１．３μｍ帯、及び１．５５μｍ帯の信号光が用いられている。

これらの信号光を受光する素子としては、ＩｎＧａＡｓ系、及びＩｎＰ系より成る化合物半導体ｐｉｎフォトダイオードが一般的であり、例えば、ＩｎＰ基板上にＩｎＰ層窓層とＩｎＧａＡｓ光吸収層が形成された構造を有する。信号光は、ＩｎＰ基板表面あるいはＩｎＰ基板裏面側に設けられた光入射部より入射され、上記ＩｎＧａＡｓ光吸収層で受光される。

また、表面実装により受光素子と半導体レーザあるいは光ファイバと光結合させるタイプの光通信用モジュールの組立てにおいて、側面から入射された信号光を受光できる側面入射型受光素子を用いると光結合が強くなる利点がある。

この場合、側面入射型受光素子を、この受光素子の光結合の対象となる半導体レーザ、または光ファイバと同一基体上に配置することで、部品点数および組立て工数を削減できる。

従来の側面入射型受光素子の構造について図６を用いて以下に説明する。この構造は例えば特許文献1に示されている。

ＩｎＰ基板６０１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層６０２、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層６０３、ｎ−ＩｎＰ窓層６０４を順次形成する。Ｚｎが拡散されたｐ型領域６０５を、ｎ−ＩｎＰ窓層６０４を貫通する様に形成する事で、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層６０３中あるいは近傍にｐｎ接合が形成され、受光部となる。ＩｎＰ基板６０１の側面に、ＩｎＰ基板６０１の裏面とは直角でない面を成す入射部６０６を形成する。信号光は、入射部６０６より入射する。

次に、入射部６０６より入射した信号光が受光部に導かれる様子について図７を用いて説明する。

図７は、半導体レーザから出射されたレーザ光が受光素子の受光部に到達する経路を示す説明図であり、（ａ）はその断面図、（ｂ）はそれを上から見た平面図である。同図において、半導体レーザ７１２は発光層がマウント７１１側になるように組立て、受光素子７１４は入射部７０６がマウント７１１側になるとともに、半導体レーザ７１２の出射光路上に配置されるように組み立てる。半導体レーザ７１２より出射されたレーザ光７１３は、入射部７０６よりＩｎＰ基板７０１内部に入射する。入射したレーザ光７１３は受光素子内でｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層７０３方向に屈折し、受光部となるＺｎ拡散領域７０５近傍に到達する。

受光部において、レーザ光７１３のうちｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層７０３に投影される投影部７１５の面積分が受光効率に寄与することとなる。

次にレーザ光７１３の拡がり角と投影部７１５の面積について説明する。半導体レーザ７１２から出射されたレーザ光７１３は拡がり角をもって空間に放射されるが、入射部７０６が十分に大きいなら、拡がり角が大きい程、投影部７１５の光軸方向の幅が広くなる。
特開平１０−３２６９０５号公報

上記したように、投影部７１５と受光部、すなわちｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層７０３に形成されたｐｎ接合部とが結合する面積が広い程、受光効率が高くなる。この場合、ｐｎ接合部の面積は、ｐ型領域７０５とｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層７０３との界面の面積とほぼ等しい。その一方で、ｐｎ接合部が広い程、ｐ型領域７０５とｎ−ＩｎＰバッファ層７０２との間の電気容量が大きくなり、受光素子の応答速度が低下する大きな要因となる。

つまり、従来の側面入射型受光素子の構造では、受光効率の向上と電気容量の低減とを両立することができないと言える。

特に、光通信モジュールにおいては、良好な信号を得るために、半導体レーザや光ファイバとの光結合効率をできる限り大きく取る必要があるため、Ｚｎが拡散されたｐ型領域は十分に広くせざるを得ない。半導体レーザや光ファイバから出射されるレーザ光を集光する為のレンズを受光素子との間に設ければ、受光効率を向上させることができ、ｐ型領域を小さくして電気容量を下げることも可能ではあるが、部品点数及び組立て工数の増大というデメリットがある。

そこで、本発明は、上記従来の課題を解決し、受光効率の向上と電気容量の低減とを両立させて、安定した品質の受光素子およびそれを用いた光通信モジュールを低コストで提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の受光素子は、基板表面側に受光領域を有し、前記基板裏面側に該裏面に対し傾斜した面からなる光入射部を有しており、前記光入射部から入射した光が前記基板内で屈折されて前記受光領域に導かれる受光素子であって、前記光入射部は前記基板裏面に対して互いに異なる角度をなす複数の傾斜面からなることを特徴とする。

前記複数の傾斜面のうち隣り合う面同士がなす稜線は、前記光入射部の長手方向に対してほぼ平行であってよい。

また、前記複数の傾斜面のうち隣り合う面同士がなす稜線は、前記光入射部の長手方向に対してほぼ垂直であってもよい。

前記複数の傾斜面はそれぞれ入射光の光路と鈍角をなすことが好ましい。

上記構成をとることにより、光入射部の面積を実効的に増大させられ、かつ入射した光をｐｎ接合部に集光できるため、光結合効率を大きく向上させられ、ｐｎ接合部面積の縮小、つまり電気容量の低減が同時に図れる。

また、本発明の別の受光素子は、前記光入射部はその断面が凸状に湾曲した面かあるいは、光入射部の長手方向において凸状に湾曲した面であることを特徴とするものである。

本発明の受光モジュール、受発光モジュール、光通信モジュールは、上記の構成を有する受光素子が実装されていることを特徴とする。

このような構成により、受光信号レベルを劣化させること無く応答速度を向上させることができ、モジュールの高速化及び製造コストの上昇抑制が図れる。

本発明の受光素子によれば、素子の側面から入射された信号光が光吸収層内の狭い領域に集まるように受光面形状を規定しているので、従来の受光素子に比べて小さな領域のｐｎ接合部で受光しても、十分な受光効率を得る事ができる。また、ｐｎ接合部を小さくできるので接合容量を低下することができ、高い受光効率を保ちつつ応答速度の高い受光素子を実現できる。

また、従来の受光素子に比べて受光部を小さくできるため、素子を小型化でき、低コスト化が図れる。

また、本発明の光通信モジュール等は上記本発明の受光素子を備えているため、高周波での応答性がよく、かつ受信感度の安定性に優れたモジュールを得ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第一の実施形態における受光素子の構造模式図であり、（ａ）は上から見た平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は半導体レーザから出射されたレーザ光が受光素子の受光部に到達する経路を示す図である。

図１（ｂ）において、ＩｎＰ基板１０１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層１０２、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０３、ｎ−ＩｎＰ窓層１０４が順次形成されている。Ｚｎが拡散されたｐ型領域１０５を、ｎ−ＩｎＰ窓層１０４を貫通する様に形成する事で、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層１０３中あるいは近傍にｐｎ接合が形成され、受光部となる。

ＩｎＰ基板１０１の側面に、ＩｎＰ基板１０１の裏面とは直角でない面を成す第一の入射部１０６と、第二の入射部１０７とを形成する。第一の入射部１０６と第二の入射部１０７とがなす稜線は入射部全体の長手方向とほぼ平行であり、第一の入射部１０６及び第二の入射部１０７と半導体レーザ１１２の出射光路とはそれぞれ１８０°よりも大きい角、すなわち鈍角をなす。信号光は、第一の入射部１０６と第二の入射部１０７より入射する。

次に、第一の入射部１０６及び第二の入射部１０７より入射した信号光が受光部に導かれる様子について説明する。

図１（ｃ）において、半導体レーザ１１２は発光層がマウント１１１側になるように組立て、受光素子は第一の入射部１０６と第二の入射部１０７がマウント１１１側になるようにするとともに、半導体レーザ１１２の出射光路上に配置されるように組み立てる。但し、第一の入射部１０６と第二の入射部１０７とがなす稜線のマウント１１１からの高さが、半導体レーザ１１２における発光点１１０のマウント１１１からの高さと等しくなる様に、第一の入射部１０６と第二の入射部１０７とは形成されている。

半導体レーザ１１２より出射されたレーザ光１１３の内、マウント１１１から離れていく角度を有する成分は、第一の入射部１０６よりＩｎＰ基板１０１内部に入射する。一方、半導体レーザ１１２より出射されたレーザ光１１３の内、マウント１１１に近づいていく角度を有する成分は、第二の入射部１０７よりＩｎＰ基板１０１内部に入射する。第一の入射部１０６と第二の入射部１０７とから入射したレーザ光１１３は、それぞれが第一の入射部１０６と第二の入射部１０７とにより屈折され、ｐ型領域１０５近傍の受光部に到達する。

上記の構成によれば、拡がり角を有する半導体レーザの出射光をその出射光路と鈍角をなす複数の傾斜面で受けることにより、入射面の面積を増大させることができ、かつ入射光が受光部の方に集まるように入射部が配置されているため、受光面積が実効的に増大するという顕著な効果を有する。

その結果、ｐ型領域を従来と比べて小さくすることができ、接合容量を低減させられるため、受光感度を高く保ったまま応答速度を向上させられる。

また、第一の入射部１０６と第二の入射部１０７とがなす稜線がマウント１１１からの高さが、半導体レーザ１１２における発光点１１０のマウント１１１からの高さと等しくなるように配置されているので、前記稜線が入射部全体の長手方向とほぼ平行であれば、入射した光がどちらか一方の入射部に偏って入射されることが無く、複数の傾斜面を設けて受光する効果が最も発揮される。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態における受光素子の構造模式図であり、（ａ）は上から見た平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は半導体レーザから出射されたレーザ光が受光素子の受光部に到達する経路を示す図である。

図２に示された受光素子の構造は、図１に示した構造と光入射部の形状が異なっている、すなわち、図１に示した光入射部はレーザ光の光軸に対して異なる角度を有する２つの斜面からなるのに対し、図２に示した光入射部２０６は受光素子の断面方向から見て凸状に湾曲した面である点が異なっているのみで、その他の構成は同じである。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様に拡がり角を有する半導体レーザの出射光を凸状に湾曲した面で受けることにより、入射部２０６がレンズの役割を果たすため、受光部に集光して導かれることとなる。よって、入射面の面積を増大させることができ、かつ入射光が受光部の方に集まるように入射部が配置されているため、受光面積が実効的に増大するという顕著な効果を有する。

その結果、ｐ型領域を従来と比べて小さくすることができ、接合容量を低減させられるため、受光感度を高く保ったまま応答速度を向上させられる。

また、傾斜面を形成する時よりも加工は複雑になるが、その分、入射光に対する受光面形状の対称性は向上するので、受光効率を低下させることはない。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態における受光素子の構造模式図であり、（ａ）は上から見た平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は半導体レーザから出射されたレーザ光が受光素子の受光部に到達する経路を示す図である。

図３（ｂ）において、ＩｎＰ基板３０１上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層３０２、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層３０３、ｎ−ＩｎＰ窓層３０４が順次形成されている。Ｚｎが拡散されたｐ型領域３０５を、ｎ−ＩｎＰ窓層３０４を貫通する様に形成する事で、ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層３０３中あるいは近傍にｐｎ接合が形成され、受光部となる。

ＩｎＰ基板３０１の側面に、ＩｎＰ基板３０１の裏面とは直角でない面を成す入射部を形成する。

ここで、入射部は、図３（ａ）や図３（ｃ）に示すように、第三の入射部３０６と第四の入射部３０７とより構成される。第三の入射部３０６と第四の入射部３０７とがなす稜線は入射部全体の長手方向とほぼ垂直であり、この稜線は、半導体レーザ３１２の出射光路上にほぼ重なるような位置となっている。また、第三の入射部３０６及び第四の入射部３０７と半導体レーザ３１２の出射光路とはそれぞれ１８０°よりも大きい角、すなわち鈍角をなす。信号光は、第三の入射部３０６と第四の入射部３０７より入射する。

次に、第三の入射部３０６及び第四の入射部３０７より入射した信号光が受光部に導かれる様子について説明する。図３（ｃ）において、半導体レーザ３１２より出射されたレーザ光３１３は、第三の入射部３０６及び第四の入射部３０７よりＩｎＰ基板３０１内部に入射する。第三の入射部３０６及び第四の入射部３０７に入射したレーザ光はそれぞれ屈折され、ｐ型領域３０５近傍の受光部に到達する。

上記の構成によれば、第一の実施形態と同様に、入射面の面積を増大させることができ、かつ入射光が受光部の方に集まるように入射部が配置されているため、受光面積が実効的に増大するという顕著な効果を有する。

また、第三の入射部３０６と第四の入射部３０７とがなす稜線は入射部全体の長手方向とほぼ垂直であり、この稜線は、半導体レーザ３１２の出射光路上にほぼ重なるような位置となっているので、入射した光がどちらか一方の入射部に偏って入射されることが無く、複数の傾斜面を設けて受光する効果が最も発揮される。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態における受光素子の構造模式図であり、（ａ）は上から見た平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は半導体レーザから出射されたレーザ光が受光素子の受光部に到達する経路を示す図である。

図４に示された受光素子の構造は、図３に示した構造と光入射部の形状が異なっている、すなわち、図３に示した光入射部はレーザ光の光軸に対して異なる角度を有する２つの斜面からなるのに対し、図４に示した光入射部４０６は受光素子の長手方向において凸状に湾曲した面である点が異なっているのみで、その他の構成は同じである。

本実施形態においても、第２の実施形態と同様に拡がり角を有する半導体レーザの出射光を凸状に湾曲した面で受けることにより、入射部４０６がレンズの役割を果たすため、受光部に集光して導かれることとなる。よって、入射面の面積を増大させることができ、かつ入射光が受光部の方に集まるように入射部が配置されているため、受光面積が実効的に増大するという顕著な効果を有する。

その結果、ｐ型領域を従来と比べて小さくすることができ、接合容量を低減させられるため、受光感度を高く保ったまま応答速度を向上させられる。

また、傾斜面を形成する時よりも加工は複雑になるが、その分、入射光に対する受光面形状の対称性は向上するので、受光効率を低下させることはない。

（第５の実施形態）
図５は本発明の第５の実施形態における光通信モジュールの構造模式図である。半導体レーザ５１２と受光素子５１４は個別のサブマウント上に実装されている。半導体レーザ用サブマウント５２０はシリコン（１００）基板でできており、サブマウントの一部に異方性エッチングを利用して形成したＶ溝と半導体レーザ搭載位置認識用パターンを有する。これにより半導体レーザ５１２と光ファイバ５１６とを精度良く実装することが可能である。光ファイバ５１６を上部から固定するブロック５１９は石英であり、実装位置は実装機の機械精度で決定されている。

受光素子用サブマウント５１７は石英でできており、ダイシングにより光ファイバ搭載用溝とハーフミラー挿入用の溝が形成されている。表面には配線パターンと受光素子搭載位置認識用パターンを有する。

半導体レーザ５１２から出射されたレーザ光は、ハーフミラー５１８を通過して光ファイバ５１６を通して外部に送信される。一方、外部からの受信光は光ファイバ５１６を通してハーフミラー５１８に入射し、ここで反射されて受光素子５１４に入射し、受信信号に変換される。ここで、受光素子５１４は上記第１の実施形態ないし第４の実施形態に示した受光素子を使用している。

本実施形態によれば、受光素子と受信光との結合効率を向上することができ、さらに受光素子での接合容量低減により高速応答が可能な光通信モジュールを得ることができる。

また、受光素子の形状等を改良することのみで特性を改善できるため、レンズ等の部品を必要とせず、部品点数の削減および組立工数の低減が図れ、製造コストを上昇させずに高品質の光通信モジュールが得られる。

なお、本実施形態では、基体に発光素子と受光素子と光ファイバとが実装され、前記発光素子より出射された光を前記光ファイバの一端面に入射し、前記光ファイバの一端面から出射された光を前記受光素子にて受光する光通信モジュールについて説明したが、単に基体に光ファイバと受光素子とが実装され、前記光ファイバの一端面より出射された光を前記受光素子にて受光する受光モジュールでも、また基体に発光素子と受光素子とが実装され、前記発光素子より出射された光を前記受光素子にて受光する受発光モジュールであっても同様の効果が得られることは言うまでもない。

なお、第１及び第３の実施形態において光入射部が２面である例を示したが、２面以上であってもよい。

また、第２及び第４の実施形態において、凸状の湾曲面の代わりに互いに異なる複数の傾斜面が連続して形成されたものでもよい。

受光素子の積層構造やその他の構造、半導体レーザ、光ファイバの種類、またこれらを実装する基板の種類、形状及び実装方法は本発明の構成に影響が無い範囲で適宜変更できるものである。

以上のように本発明に係る受光素子は、受光感度を落とすことなく、電気的な容量成分を減らせるため、光通信モジュール、特に高速、大容量通信用のモジュールに特に適している。

本発明の第１の実施形態における受光素子の構造模式図であり、（ａ）は上から見た平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は半導体レーザから出射されたレーザ光が受光素子の受光部に到達する経路を示す図 本発明の第２の実施形態における受光素子の構造模式図であり、（ａ）は上から見た平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は半導体レーザから出射されたレーザ光が受光素子の受光部に到達する経路を示す図 本発明の第３の実施形態における受光素子の構造模式図であり、（ａ）は上から見た平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は半導体レーザから出射されたレーザ光が受光素子の受光部に到達する経路を示す図 本発明の第４の実施形態における受光素子の構造模式図であり、（ａ）は上から見た平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は半導体レーザから出射されたレーザ光が受光素子の受光部に到達する経路を示す図 本発明の第５の実施形態における光通信モジュールの構造模式図 従来の技術における受光素子の構造模式図であり、（ａ）は上から見た平面図、（ｂ）は断面図 従来の技術における半導体レーザから出射されたレーザ光が受光素子の受光部に到達する経路を示す説明図であり、（ａ）は断面図、（ｂ）上から見た平面図

符号の説明

１０１、２０１、３０１、４０１、６０１、７０１ ＩｎＰ基板
１０２、２０２、３０２、４０２、６０２、７０２ ｎ−ＩｎＰバッファ層
１０３、２０３、３０３、４０３、６０３、７０３ ｎ−ＩｎＧａＡｓ光吸収層
１０４、２０４、３０４、４０４、６０４、７０４ ｎ−ＩｎＰ窓層
１０５、２０５、３０５、４０５、６０５、７０５ ｐ型領域
１０６ 第一の入射部
１０７ 第二の入射部
１１０、２１０ 発光点
１１１、２１１、３１１、４１１、６１１、７１１ マウント
１１２、２１２、３１２、４１２、５１２、６１２、７１２ 半導体レーザ
１１３、２１３、３１３、４１３、６１３、７１３ レーザ光
２０６ 光入射部
３０６ 第三の入射部
３０７ 第四の入射部
４０６ 光入射部
５１４、７１４ 受光素子
５１６ 光ファイバ
５１７ 受光素子用サブマウント
５１８ ハーフミラー
５１９ 光ファイバ固定用ブロック
５２０ 半導体レーザ用サブマウント
７１５ 投影部

Claims (9)

1. 基板表面側に受光領域を有し、前記基板裏面側に該裏面に対し傾斜した面からなる光入射部を有しており、前記光入射部から入射した光が前記基板内で屈折されて前記受光領域に導かれる受光素子であって、
   前記光入射部は前記基板裏面に対して互いに異なる角度をなす複数の傾斜面からなることを特徴とする受光素子。
2. 基板表面側に受光領域を有し、前記基板裏面側に該裏面に対し傾斜した面からなる光入射部を有しており、前記光入射部から入射した光が前記基板内で屈折されて前記受光領域に導かれる受光素子であって、
   前記光入射部はその断面が凸状に湾曲した面であることを特徴とする受光素子。
3. 基板表面側に受光領域を有し、前記基板裏面側に該裏面に対し傾斜した面からなる光入射部を有しており、前記光入射部から入射した光が前記基板内で屈折されて前記受光領域に導かれる受光素子であって、
   前記光入射部はその長手方向において凸状に湾曲した面であることを特徴とする受光素子。
4. 前記複数の傾斜面のうち隣り合う面同士がなす稜線は、前記光入射部の長手方向に対してほぼ平行であることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
5. 前記複数の傾斜面のうち隣り合う面同士がなす稜線は、前記光入射部の長手方向に対してほぼ垂直であることを特徴とする請求項１記載の受光素子。
6. 前記複数の傾斜面はそれぞれ入射光の光路と鈍角をなすことを特徴とする請求項４または５記載の受光素子。
7. 基体に光ファイバと受光素子とが実装され、前記光ファイバの一端面より出射された光を前記受光素子にて受光する受光モジュールであって、
   前記受光素子は請求項１ないし６のいずれかに記載の受光素子であることを特徴とする受光モジュール。
8. 基体に発光素子と受光素子とが実装され、前記発光素子より出射された光を前記受光素子にて受光する受発光モジュールであって、
   前記受光素子は請求項１ないし６のいずれかに記載の受光素子であることを特徴とする受発光モジュール。
9. 基体に発光素子と受光素子と光ファイバとが実装され、前記発光素子より出射された光を前記光ファイバの一端面に入射し、前記光ファイバの一端面から出射された光を前記受光素子にて受光する光通信モジュールであって、
   前記受光素子は請求項１ないし６のいずれかに記載の受光素子であることを特徴とする光通信モジュール。

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