JP2009003007A - Light receiving element module - Google Patents
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Description
本発明は、高出力なRF電力が求められる受光素子モジュールに関する。 The present invention relates to a light receiving element module that requires high output RF power.
受光素子は、光通信システムに利用されており、デジタル信号伝送では、マイクロワット級の微弱な光を感度よく検出すること、またアナログ信号伝送では、受信信号の歪みをなくすことが、主に従来から検討されてきた。これに対し、近年は、受光素子に高周波(以下、RFという)で強度変調したワット級の光を入射し、大電力のRF出力を得ることが検討されている。 The light receiving element is used in an optical communication system. For digital signal transmission, it has been mainly used to detect microwatt-level faint light with high sensitivity, and for analog signal transmission, to eliminate distortion of received signals. Has been considered. On the other hand, in recent years, it has been studied that a watt-class light whose intensity is modulated at a high frequency (hereinafter referred to as RF) is incident on a light receiving element to obtain a high-power RF output.
受光素子、光ファイバおよびそれらを光学的に結合させる光学レンズ系を備える受光素子モジュールにおいて、受光面に光ファイバから入射した光を結像した場合には、入射光の中心付近の光強度密度が高くなる。このため、中心付近で大量の熱が集中的に発生し、受光RF電力が弱まる現象が発生する。さらには、素子が破損する可能性もある。また、入力光の光密度が高いため、空間電荷効果の影響も大きく受ける。 In a light receiving element module that includes a light receiving element, an optical fiber, and an optical lens system that optically couples them, when the light incident from the optical fiber is imaged on the light receiving surface, the light intensity density near the center of the incident light is Get higher. For this reason, a large amount of heat is intensively generated in the vicinity of the center, and a phenomenon that the received RF power is weakened occurs. Furthermore, the element may be damaged. Further, since the light density of the input light is high, it is greatly affected by the space charge effect.
従って、従来の半導体受光素子モジュールでは、中心付近の光強度密度を下げるために、半導体基板上に光吸収層となるi層に対して非焦点状態となるレンズを形成している。この結果、強力な光が入射した場合でも、光ファイバからの光を一点に集中させることなく、入射した光を受光素子の受光面全体に広げることにより、内部電界強度の低下を防ぐことができる(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, in the conventional semiconductor light receiving element module, in order to reduce the light intensity density near the center, a lens that is in a non-focal state with respect to the i layer serving as the light absorption layer is formed on the semiconductor substrate. As a result, even when strong light is incident, it is possible to prevent a decrease in internal electric field strength by spreading the incident light over the entire light receiving surface of the light receiving element without concentrating the light from the optical fiber at one point. (For example, refer to Patent Document 1).
しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
上述の特許文献1に記載された受光素子モジュールでは、電界強度の低下を防ぐために、入射光スポット径をデフォーカスして受光部に入射している。しかしながら、ガウスビームの形状自体を改善している訳ではなく、ガウスビームのスポット径が多少大きくなっているだけなので、受光径内の中心部と外側とでは、強度分布差が生じている。
However, the prior art has the following problems.
In the light receiving element module described in
さらに、デフォーカスさせれば、受光径内にほぼ一様な強度分布の光を入射することは可能である。しかしながら、そのような場合には、受光径から全ビームの大半が外れてしまい、入射光パワー全体に対する出力RF電力の効率が非常に悪くなってしまう。 Furthermore, if defocusing is performed, it is possible to make light having a substantially uniform intensity distribution within the light receiving diameter. However, in such a case, most of the entire beam deviates from the light receiving diameter, and the efficiency of the output RF power with respect to the entire incident light power becomes very poor.
本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、受光径内にほぼ一様な強度分布の光を入射するとともに、高出力なRF電力を高効率で得ることのできる受光素子モジュールを得ることを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and is a light receiving element capable of receiving light having a substantially uniform intensity distribution within a light receiving diameter and obtaining high output RF power with high efficiency. The purpose is to obtain a module.
本発明に係る受光素子モジュールは、シングルモード光ファイバと、シングルモード光ファイバに対向して接合されたステップインデックス型マルチモード光ファイバと、シングルモード光ファイバおよびステップインデックス型マルチモード光ファイバを経由して出力された光を像転写する光学レンズと、光学レンズからの光を受光する受光素子とを備えるものである。 The light receiving element module according to the present invention includes a single mode optical fiber, a step index type multimode optical fiber bonded to face the single mode optical fiber, the single mode optical fiber, and the step index type multimode optical fiber. And an optical lens for image transfer of the output light and a light receiving element for receiving the light from the optical lens.
本発明によれば、シングルモード光ファイバとステップインデックス型マルチモード光ファイバを接合して光ファイバを構成し、ステップインデックス型マルチモード光ファイバから受光素子に入射するビームをほぼ一様な強度とし、全入射光を受光径に収めた上で、さらに受光径内で発生する熱を抑制することにより、受光径内にほぼ一様な強度分布の光を入射するとともに、高出力なRF電力を高効率で得ることのできる受光素子モジュールを得ることができる。 According to the present invention, a single mode optical fiber and a step index type multimode optical fiber are joined to form an optical fiber, and a beam incident on the light receiving element from the step index type multimode optical fiber has a substantially uniform intensity. By keeping all incident light within the light receiving diameter and further suppressing the heat generated within the light receiving diameter, light with a substantially uniform intensity distribution is incident on the light receiving diameter and high output RF power is increased. A light receiving element module that can be obtained efficiently can be obtained.
以下、本発明の受光素子モジュールの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a light receiving element module of the present invention will be described with reference to the drawings.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1における受光素子モジュールの光学配置を示す断面構造図である。図1の受光素子モジュールは、受光素子1、シングルモード光ファイバ2、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ3、光学レンズ4、およびヒートシンク5で構成される。
FIG. 1 is a cross-sectional structure diagram showing an optical arrangement of a light receiving element module according to
受光素子1は、裏面入射型のInGaAS/InP系PINフォトダイオードであり、受光表面にφ50μmの受光径をもつ。さらに、受光素子1の受光面1a側(すなわち、裏面側)は、ヒートシンク5に接着されている。
The light receiving
シングルモード光ファイバ(SMファイバ)2は、光が単一モードで伝送される光ファイバであり、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ(SIファイバ)3は、コアとクラッドの界面のみで屈折率が不連続に変わる光ファイバであり、ともに、コア径40〜50μm、長さ0.3〜0.4mmである。また、シングルモード光ファイバ2とステップインデックス型マルチモード光ファイバ3は、接合面6で互いに融着されている。
The single mode optical fiber (SM fiber) 2 is an optical fiber through which light is transmitted in a single mode, and the step index type multimode optical fiber (SI fiber) 3 has a refractive index only at the interface between the core and the cladding. These optical fibers are continuously changed, and both have a core diameter of 40 to 50 μm and a length of 0.3 to 0.4 mm. Further, the single mode
光学レンズ4は、開口数(N.A.)0.2以上であり、ビーム径を受光素子の受光径φ50μmと同じサイズに像転写可能なレンズ系であればよい。例えば、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ3から出射されるビーム径がφ40μmであるとすると、焦点距離10mmのコリメートレンズを用いた場合には、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ3と光学レンズ4間の距離は、8mmとなり、光学レンズ4と受光素子1間の距離は、10mmとなる。
The
次に、動作について説明する。まず、シングルモード光ファイバ2から出射するビーム径φ10μmのガウスビームは、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ3をマルチモード干渉素子として利用することにより、光強度分布が平坦化される。
Next, the operation will be described. First, the Gaussian beam having a beam diameter of φ10 μm emitted from the single mode
図2は、本発明の実施の形態1における受光素子モジュールのステップインデックス型マルチモード光ファイバ3内における電界分布の様子を示した図である。図2における波形(1)は、シングルモード光ファイバ2からの入射ビームである。また、波形(2)および波形(3)は、それぞれ入射端より0.3mm、および0.4mmの位置におけるビームの形状である。
FIG. 2 is a diagram showing a state of an electric field distribution in the step index type multimode
ステップインデックス型マルチモード光ファイバ3内の位置により、ビームの形状が刻々と変化しており、今回の条件では、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ3の入射端から0.3mm〜0.4mm辺りで、シングルモード光ファイバ2からの入射ビームが最も平坦化される。
Depending on the position in the step index type multimode
従って、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ3の長さは、0.3〜0.4mmとする。このようにして平坦化されたビームを光学レンズ4で像転写することで、受光径φ50μmの受光素子1に、同じサイズであるφ50μmのビームを入射させることができる。
Therefore, the length of the step index type multimode
以上のように、実施の形態1によれば、シングルモード光ファイバから出射したガウスビームの周辺部を、ステップインデックス型マルチモード光ファイバで反射合成させ、光強度分布がある程度一様となった合成ビームを像転写して、裏面入射型受光素子の受光面に結像している。この結果、受光径内に集光される光ビームの単位面積あたりの光強度密度が、受光素子にそのままガウスビームで集光される場合と比較して、大幅に低減され、熱の集中的な発生を抑制できる。 As described above, according to the first embodiment, the periphery of the Gaussian beam emitted from the single mode optical fiber is reflected and combined by the step index type multimode optical fiber, and the light intensity distribution becomes uniform to some extent. An image of the beam is transferred to form an image on the light receiving surface of the back-illuminated light receiving element. As a result, the light intensity density per unit area of the light beam collected within the light receiving diameter is greatly reduced compared to the case where the light beam is collected by the Gaussian beam as it is, and the heat is concentrated. Generation can be suppressed.
さらに、受光素子の裏面側は、ヒートシンクと接着されている。受光素子は、裏面入射型であるため、光の吸収層がヒートシンクに接近しており、排熱設計にも優れる。この結果、得られる受光RF電力が増加するとともに、素子の破損防止にも繋がる。 Further, the back side of the light receiving element is bonded to a heat sink. Since the light receiving element is a back-illuminated type, the light absorption layer is close to the heat sink, and the heat exhaust design is excellent. As a result, the obtained received RF power is increased and the element is prevented from being damaged.
さらに、多モード干渉素子としてステップインデックス型マルチモード光ファイバを用いている。これにより、シングルモード光ファイバにステップインデックス型マルチモード光ファイバを融着するだけで構成可能な受光素子モジュールとなっている。つまり、非常に容易に製造可能であり、コスト面でも優れる。さらに、両ファイバは、融着しているので、ロスが少なく、ハイパワー入射に強い。 Further, a step index type multimode optical fiber is used as the multimode interference element. Thus, the light receiving element module can be configured only by fusing the step index type multimode optical fiber to the single mode optical fiber. That is, it can be manufactured very easily and is excellent in terms of cost. Furthermore, since both fibers are fused, there is little loss and it is strong against high power incidence.
なお、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの代わりに、シングルモード光ファイバからのガウスビームの周辺部を反射可能な中空ファイバまたは鏡状の筒を用いることによっても、同様の効果を得ることができる。 Note that the same effect can be obtained by using a hollow fiber or a mirror-like tube capable of reflecting the peripheral portion of the Gaussian beam from the single mode optical fiber instead of the step index type multimode optical fiber.
実施の形態2.
図3は、本発明の実施の形態2における受光素子モジュールの光学配置を示す断面構造図である。図3の受光素子モジュールは、受光素子1、シングルモード光ファイバ2、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ3、光学レンズ4a、およびヒートシンク5で構成される。先の実施の形態1における図1の構成と比較すると、本実施の形態2における図3の構成では、光学レンズ4aがステップインデックス型マルチモード光ファイバ3と接着され、シングルモード光ファイバ2から光学レンズ4aまでが一体化されている点が異なっている。
FIG. 3 is a cross-sectional structure diagram showing an optical arrangement of the light receiving element module according to
先の実施の形態1では、光学レンズ4の位置が厳密に決まっておらず、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ3と光学レンズ4間の距離を変化させたい要望がある場合には、フレキシブルに対応できる受光素子モジュールである。しかしながら、その分、光学レンズ4が外部にあるため、レンズの位置決めに手間がかかってしまう。
In the first embodiment, if the position of the
これに対して、本実施の形態2では、シングルモード光ファイバ2から光学レンズ4aまでを一体化したことにより、受光素子1との距離は、厳密に決まり、レンズの位置決めの作業が楽になる。
On the other hand, in the second embodiment, since the single mode
以上のように、実施の形態2によれば、光学レンズをステップインデックス型マルチモード光ファイバに接着させる構造をとり、シングルモード光ファイバから光学レンズまでを一体化している。この結果、受光素子に対する光学レンズの位置決めを容易に行うことが可能となる。 As described above, according to the second embodiment, the structure is such that the optical lens is bonded to the step index type multimode optical fiber, and the single mode optical fiber to the optical lens are integrated. As a result, the optical lens can be easily positioned with respect to the light receiving element.
実施の形態3.
図4は、本発明の実施の形態3における受光素子モジュールの光学配置を示す断面構造図である。図4の受光素子モジュールは、受光素子1、シングルモード光ファイバ2、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ3、およびヒートシンク5で構成される。先の実施の形態1における図1の構成あるいは先の実施の形態2における図3の構成と比較すると、本実施の形態3における図4の構成では、光学レンズを備えていない点が異なっている。
FIG. 4 is a cross-sectional structure diagram showing an optical arrangement of the light receiving element module according to
本実施の形態2では、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ3から出射されたビームが、光学レンズを介さずに直接受光素子1に入射する構造となっている。
In the second embodiment, the beam emitted from the step index type multimode
ステップインデックス型マルチモード光ファイバ3から出射されるビームは、開口数(N.A.)0.2程度の広がりをもっているため、全ての光を受光素子1の受光径内に収めるには、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ3の直径よりも大きな受光径を持ち、かつステップインデックス型マルチモード光ファイバ3と受光素子1を非常に近づける必要がある。
Since the beam emitted from the step index type multimode
そこで、光学レンズをなくした図4のような構成にすることで、このような条件を満たすことができる。さらに、光学レンズをなくしたことにより、コスト低減を図ることができる。 Therefore, such a condition can be satisfied by adopting the configuration shown in FIG. 4 without the optical lens. Further, the cost can be reduced by eliminating the optical lens.
以上のように、実施の形態3によれば、光学レンズをなくした構成で先の実施の形態1、2と同様の効果を実現でき、受光素子モジュールのコスト低減を図ることが可能となる。 As described above, according to the third embodiment, the same effect as in the first and second embodiments can be realized with the configuration without the optical lens, and the cost of the light receiving element module can be reduced.
実施の形態4.
図5は、本発明の実施の形態4における受光素子モジュールの光学配置を示す断面構造図である。この図5の光学素子モジュールは、先の実施の形態1における図1の構成を2個並列に接続した構成に相当する。
FIG. 5 is a cross-sectional structure diagram showing an optical arrangement of the light receiving element module according to
並列回路を構成する個々の受光素子モジュールの動作は、先の実施の形態1の場合と全く同じである。1モジュールごとに得られた各々の受光RF電力を、整合の取れたRF電力合成回路7を用いることにより電力合成する。
The operations of the individual light receiving element modules constituting the parallel circuit are exactly the same as those in the first embodiment. Each received RF power obtained for each module is synthesized by using a matched RF
本実施の形態4における図5のような並列構成により、先の実施の形態1における図1の単一構成で得られたRF電力と同じ電力を得ようとした場合には、1モジュールあたりに入射する光強度は、弱くなるため、熱の発生のさらなる防止に繋がる。 When the same power as the RF power obtained in the single configuration of FIG. 1 in the first embodiment is obtained by the parallel configuration as in FIG. 5 in the fourth embodiment, per module. The incident light intensity becomes weak, which leads to further prevention of heat generation.
また、1つの受光素子モジュールからの受光RF電力は、ある受光量以上で飽和に達してしまう。これに対して、本実施の形態4のように、受光素子モジュールを2個以上並列に接続する構成を採用することにより、1つの受光素子モジュールで得られる受光RF電力の飽和値以上の電力を得ることができる。 Further, the received RF power from one light receiving element module reaches saturation when the amount of received light exceeds a certain level. In contrast, by adopting a configuration in which two or more light receiving element modules are connected in parallel as in the fourth embodiment, power equal to or higher than the saturation value of the received RF power obtained by one light receiving element module is obtained. Obtainable.
以上のように、実施の形態4によれば、本発明による受光素子モジュールを複数個並列接続することにより、熱の発生を抑制できるとともに、1つの受光素子モジュールの飽和受光量以上の受光RF電力を得ることが可能となる。 As described above, according to the fourth embodiment, the generation of heat can be suppressed by connecting a plurality of light receiving element modules according to the present invention in parallel, and the received RF power exceeding the saturation light receiving amount of one light receiving element module. Can be obtained.
なお、図5の構成において並列接続される受光素子モジュールは、先の実施の形態1に対応する図1の構成ばかりでなく、先の実施の形態2に対応する図3の構成、あるいは、先の実施の形態3に対応する図4の構成を適用することも可能である。 The light receiving element modules connected in parallel in the configuration of FIG. 5 are not limited to the configuration of FIG. 1 corresponding to the first embodiment, but the configuration of FIG. It is also possible to apply the configuration of FIG. 4 corresponding to the third embodiment.
1 受光素子(裏面入射型受光素子)、2 シングルモード光ファイバ、3 ステップインデックス型マルチモード光ファイバ、4、4a 光学レンズ、5 ヒートシンク、6 ファイバ接合面、7 RF電力合成回路。
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記シングルモード光ファイバに対向して接合されたステップインデックス型マルチモード光ファイバと、
前記シングルモード光ファイバおよび前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバを経由して出力された光を像転写する光学レンズと、
前記光学レンズからの光を受光する受光素子と
を備えることを特徴とする受光素子モジュール。 A single mode optical fiber;
A step index type multimode optical fiber joined to face the single mode optical fiber;
An optical lens for image transfer of light output via the single mode optical fiber and the step index type multimode optical fiber;
A light receiving element module comprising: a light receiving element that receives light from the optical lens.
前記受光素子は、裏面入射型のフォトダイオードまたは裏面入射型のアバランシェ・フォトダイオードであり、受光面側でヒートシンクに接着されることを特徴とする受光素子モジュール。 The light receiving element module according to claim 1,
The light-receiving element module is a back-illuminated photodiode or a back-illuminated avalanche photodiode, and is bonded to a heat sink on the light-receiving surface side.
前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバは、コア径が40〜50μmであり、長さが0.3〜0.4mmであることを特徴とする受光素子モジュール。 In the light receiving element module according to claim 1 or 2,
The step index type multimode optical fiber has a core diameter of 40 to 50 μm and a length of 0.3 to 0.4 mm.
前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバの代わりに、前記シングルモード光ファイバからのガウスビームの周辺部を反射可能な中空ファイバまたは鏡状の筒を備えることを特徴とする受光素子モジュール。 In the light receiving element module according to claim 1 or 2,
A light receiving element module comprising a hollow fiber or a mirror-like tube capable of reflecting a peripheral portion of a Gaussian beam from the single mode optical fiber instead of the step index type multimode optical fiber.
前記シングルモード光ファイバと前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバは、互いに融着されていることを特徴とする受光素子モジュール。 In the light receiving element module according to any one of claims 1 to 4,
The single-mode optical fiber and the step index type multi-mode optical fiber are fused to each other.
前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバと前記光学レンズは、互いに接着されており、
前記シングルモード光ファイバから前記光学レンズまでが一体型であることを特徴とする受光素子モジュール。 In the light receiving element module according to any one of claims 1 to 5,
The step index type multimode optical fiber and the optical lens are bonded to each other;
The light receiving element module, wherein the single mode optical fiber to the optical lens are integrated.
前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバからのビームを、前記光学レンズを取り除いて直接前記受光素子の受光径内に入射することを特徴とする受光素子モジュール。 In the light receiving element module according to any one of claims 1 to 5,
A light receiving element module, wherein a beam from the step index type multimode optical fiber is directly incident on a light receiving diameter of the light receiving element after removing the optical lens.
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