JP2012145614A - 光半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 受光素子の空間電荷効果の抑制および受光素子の高光結合効率の両方を実現する光半導体装置を提供する。
【解決手段】 光半導体装置は、レンズと、レンズを通過した光信号が入力される受光素子と、を備え、レンズと受光素子の受光面との間において、光信号の第１の光路と、第１の光路と異なる長さの第２の光路とが交差し、第１の光路を通過する光と第２の光路を通過する光との位相差に起因して受光素子の受光面において複数のピーク光強度が生成される。
【選択図】 図８

Description

本発明は、光半導体装置に関するものである。

光受信器などの光半導体装置においては、光ファイバの出射端から出射される光信号を受光素子が受光する。受光素子の高速動作のためには、受光径は小さいことが望まれる。一方で、受光素子の受光面においては、受光面内における光強度のピークが高くなるとその部分の電流密度が高くなり、空間電荷効果（受光素子内部の飽和）が発生する。この対策として、デフォーカスを与える技術が知られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。

特開平０５−２２４１０１号公報 特開平０６−２１４８５号公報 特開平０８−１８０７７号公報

デフォーカスによりビーム径を大きくすると、受光面におけるピーク光強度が、相対的に低下する。それにより、受光面内における局所的な電流密度の上昇を低減することができ、空間電荷効果の発生を抑制することができる。しかしながら、ビーム径が大きくなると、受光面以外に光が漏れ出してしまい光結合効率が低下してしまう。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、受光素子の空間電荷効果の抑制および受光素子の高光結合効率の両方を実現する光半導体装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光半導体装置は、レンズと、前記レンズを通過した光信号が入力される受光素子と、を備え、前記レンズと前記受光素子の受光面との間において、前記光信号の第１の光路と、前記第１の光路と異なる長さの第２の光路とが交差し、前記第１の光路を通過する光と前記第２の光路を通過する光との位相差に起因して前記受光素子の受光面において複数のピーク光強度が生成されることを特徴とするものである。本発明に係る光半導体装置によれば、受光素子の空間電荷効果の抑制および受光素子の高光結合効率の両方を実現することができる。

前記レンズに入力される光信号は、光ファイバから出射され、前記光ファイバの出射端は、前記光ファイバの光軸に対して斜めにカットされていてもよい。前記レンズは、球面レンズとしてもよい。前記受光素子は、光入射側に曲率を有する集光部が設けられたフォトダイオードとしてもよい。

本発明によれば、受光素子の空間電荷効果の抑制および受光素子の高光結合効率の両方を実現する光半導体装置を提供することができる。

比較例に係る光半導体装置の全体構成を説明するための断面図である。 レンズを通過する光信号のビーム径について説明するための模式図である。 受光素子の受光面で受光される光信号の光強度分布を説明するための図である。 （ａ）は図３の「Ｐｅａｋ」の光強度分布を３次元で表した図であり、（ｂ）は図３の「Ｐｅａｋ」の光強度分布を等高線で表した図である。 （ａ）は図３の「Ｄｅｆｏｃｕｓ４」の光強度分布を３次元で表した図であり、（ｂ）は図３の「Ｄｅｆｏｃｕｓ４」の光強度分布を等高線で表した図である。 デフォーカス時における光強度分布を説明するための図である。 光信号の中心における光強度と光結合効率との関係を説明するための図である。 実施例に係る光半導体装置の全体構成を説明するための断面図である。 光ファイバの出射端と、レンズおよび受光素子との配置関係について説明するための模式図である。 複数のピークが生じた場合について説明するための図である。 光結合効率を説明するための図である。 受光素子の他の例を説明するための図である。 変形例２に係る光半導体装置の全体構成を説明するための断面図である。 （ａ）は実施例に係る光強度分布を３次元で表した図であり、（ｂ）は（ａ）の光強度分布を等高線で表した図である。 実験結果を表す図である。 光学系の構成を説明するための図である。

実施例の説明の前に、比較例について説明する。

図１は、比較例に係る光半導体装置２００の全体構成を説明するための断面図である。図１を参照して、光半導体装置２００は、光入力部１０、集光部２０、および受光部３０を備える。光入力部１０から入力される光信号は、単一波長光であり、集光部２０において集光され、受光部３０において受光される。

光入力部１０においては、ホルダ１１によってフェルール金具１２が固定されている。フェルール金具１２内にフェルール１３が挿入されている。さらに、光ファイバ１４がフェルール１３内を貫通するように設けられている。フェルール１３の外部では、光ファイバ１４は被覆材１５によって被覆されている。フェルール１３および光ファイバ１４の出射端は、光ファイバ１４の光軸に対して垂直にカットされている。

集光部２０においては、キャップ２１によってレンズ２２が固定されている。レンズ２２は、レンズ２２の中心が光ファイバ１４の光軸と重なるように配置されている。レンズ２２は、特に限定されるものではなく、例えば球面レンズである。

受光部３０においては、ステム３１上にサブマウント３２が配置され、サブマウント３２上に受光素子３３が搭載されている。受光素子３３は、半導体受光素子（フォトダイオード）であれば特に限定されるものではない。受光素子３３は、表面入射型および裏面入射型のいずれのタイプのものであってもよい。受光素子３３の出力端子は、プリアンプ３４を介してリード３５に接続されている。受光素子３３の電源端子には、リード３６が接続されている。リード３５，３６とステム３１との間には、ガラスなどの絶縁部材３７が配置されている。

光ファイバ１４内を伝播する光信号は、光ファイバ１４の出射端からレンズ２２に対して出射される。レンズ２２は、受光素子３３の受光面に入射するビーム径を調整する。受光素子３３は、光電変換によって、受光する光信号を電流信号に変換する。プリアンプ３４は、受光素子３３が出力する電流信号を増幅する。

図２（ａ）は、レンズ２２を通過する光信号のビーム径について説明するための模式図である。図２（ｂ）は、受光素子３３周辺の拡大図である。図２（ａ）を参照して、図２では、レンズ２２として球面レンズを用いている。また、図２（ｂ）を参照して、受光素子３３として、裏面入射型フォトダイオードを用いている。

光ファイバ１４の出射端から出射される光信号のビーム径は、光信号の進行方向に向かって、光軸を中心にして拡大し、ガウシアン分布を形成する。比較例においては、レンズ２２は、光信号の光軸がレンズ２２の中心を通過するように配置されている。すなわち、光信号の光軸は、レンズ２２の接平面と垂直の関係を有する。この場合、コマ収差が回避される。それにより、レンズ２２内を通過する光信号は、光信号の光軸を対称軸として分布する。レンズ２２は、光ファイバ１４から入力される光を集光し、受光素子３３で受光される光信号のビーム径を所定の大きさに調整する。

図３は、受光素子３３の受光面で受光される光信号の光強度分布を説明するための図である。図３において、横軸は光信号の中心からの距離（μｍ）を示し、縦軸は光強度（全光量に対する相対光強度）を示す。図３の例では、デフォーカスによってビーム径を変化させた光信号の光強度分布が描かれている。「Ｐｅａｋ」は、デフォーカスしていない光信号であり、「Ｄｅｆｏｃｕｓ１」〜「Ｄｅｆｏｃｕｓ４」は、「Ｐｅａｋ」をデフォーカスした光信号である。図３を参照して、光信号の光強度は、光信号の中心において最も高くなる。

図４（ａ）は、図３の「Ｐｅａｋ」の光強度分布を３次元で表した図である。図４（ｂ）は、図３の「Ｐｅａｋ」の光強度分布を等高線で表した図である。図５（ａ）は、図３の「Ｄｅｆｏｃｕｓ４」の光強度分布を３次元で表した図である。図５（ｂ）は、図３の「Ｄｅｆｏｃｕｓ４」の光強度分布を等高線で表した図である。図４（ａ）および図５（ａ）において、ｘ軸（ｄｘ）およびｙ軸（ｄｙ）は、受光面の２次元方向を示し、ｚ軸（ｐ）は、光強度を示す。なお、図４（ａ）および図５（ａ）の等高線は、ピークおよびボトムを５ステップにしたものである。図４（ｂ）および図５（ｂ）において、ｘ軸（ｄｘ）およびｙ軸（ｄｙ）は、受光面の２次元方向を示す。

図３〜図５（ｂ）を参照して、ビーム径が小さくなると、光強度分布が光信号の中心に偏り、光信号の中心における光強度が高くなる。一方で、ビーム径が大きくなると、光強度分布が光信号の中心から外側に拡散し、光信号の中心における光強度が低くなる。

ここで、光強度が所定の限界値を超えると、受光素子３３に空間電荷効果が生じる。したがって、光強度の最大値が限界値以下になるように、デフォーカスによってビーム径を増加させることが好ましい。しかしながら、この場合、光信号の中心における光強度が低下するに従って、光信号の中心から離れた箇所における光強度が増加する。

図６は、デフォーカス時における光強度分布を説明するための図である。図６において、横軸は光信号の中心からの距離（μｍ）を示し、縦軸は光強度を示す。図６の例では、光信号の中心からの距離が７．５μｍを超えた箇所における光強度が所定の大きさ以上になっている。受光素子３３の光結合効率は図６の光強度の積分値に比例するため、受光素子３３の受光径を１５μｍとした場合、受光素子３３の光結合効率が低下することになる。このように、ビーム径を大きくすると、光結合効率が低下する。

図７は、光信号の中心における光強度（以下、ピーク光強度）と光結合効率との関係を説明するための図である。図７において、横軸はピーク光強度を示し、縦軸は光結合効率を示す。図７を参照して、ピーク光強度が大きいと、光結合効率はほぼ「１」となっている。ビーム径が小さくなるためである。これに対して、ピーク光強度が小さくなると、光結合効率が低下する。これは、ビーム径が大きくなり、受光面から光が漏れるためである。

以上のことから、比較例に係る光半導体装置２００においては、ビーム径を小さくすると空間電荷効果を抑制できず、ビーム径を大きくすると結合効率が低下する。したがって、比較例に係る光半導体装置２００においては、空間電荷効果の抑制および受光素子の高光結合効率の両方を実現することができない。

図８は、実施例に係る光半導体装置１００の全体構成を説明するための断面図である。図８を参照して、光半導体装置１００が図１の光半導体装置２００と異なる点は、光ファイバ１４の光軸に対する、レンズ２２および受光素子３３の配置箇所である。図１と同じ部材には同一の符号を付すことによって、説明を省略する。

図９（ａ）は、光ファイバ１４の出射端と、レンズ２２および受光素子３３との配置関係について説明するための模式図である。図９（ｂ）は、受光素子３３周辺の拡大図である。図９（ａ）を参照して、本実施例においては、光ファイバ１４の出射端から出射される光信号の光軸に対して、レンズ２２の中心位置にオフセットが設けられている。したがって、本実施例においては、光ファイバ１４から出射された光信号の光軸はレンズ２２の中心から外れた箇所を通過する。言い換えれば、当該光信号の光軸は、レンズ２２の接平面と垂直の関係を有していない。この場合、コマ収差および球面収差に起因して、レンズ２２内を通過する光信号は、光信号の光軸に対して非対称に分布する。

レンズ２２から出射される光信号のいずれか１つの光路を第１の光路とし、他の光路を第２の光路とする。レンズ２２と受光素子３３の受光面との間において、第１の光路と第２の光路とが交差する場合、第１の光路を通過する光信号と、第２の光路を通過する光信号とが互いに干渉する。この場合、位相差に応じて、第１の光路を通過する光信号と第２の光路を通過する光信号とが互いに強め合い、または弱め合う。その結果、受光素子３３の受光面における光強度分布に、複数のピークが生じる。

図１０は、複数のピークが生じた場合について説明するための図である。図１０において、横軸は光信号の中心からの距離（μｍ）を示し、縦軸は光強度を示す。図１０においては、比較例における光強度分布が併せて図示されている。図１０を参照して、光強度分布に複数のピークが生じる場合、光強度が光信号の中心に偏るようになる。それにより、光信号の中心から離れた箇所における光強度を低下させることができる。したがって、光強度の最大値を限界値以下に調整しても、受光素子３３の受光面外における光強度を低下させることができる。なお、各ピークの光強度は、例えば、中央のピークは０．１２以下、中央のピークの両側のピークは０．０８以上の光強度を有する。

図１１は、この場合の光結合効率を説明するための図である。図１１において、横軸はピーク光強度を示し、縦軸は光結合効率を示す。図１１を参照して、光強度分布に複数のピークが生じる場合、ピーク光強度を低下させつつ、光結合効率の低下を抑制することができる。

本実施例においては、第１の光路の光信号の位相と第２の光路の光信号の位相との間にずれが生じることで、受光素子３３の受光面に複数のピーク光強度が生成されるように、光ファイバ１４の光軸に対するレンズ２２および受光素子３３の配置箇所が決定される。それにより、受光素子３３の空間電荷効果の抑制および受光素子３３の高光結合効率の両方を実現することができる。

（変形例１）
図１２（ａ）は、受光素子の他の例を説明するための図である。図１２（ａ）を参照して、受光素子３３の光入射側に、曲率を有する集光部３８がモノリシックに設けられていてもよい。この場合、図１２（ｂ）を参照して、受光素子３３に入射される光信号が、集光部３８によって光信号をさらに集光することができる。

（変形例２）
図１３は、変形例２に係る光半導体装置１００ａの全体構成を説明するための断面図である。図１３を参照して、光ファイバ１４の出射端は、光ファイバ１４の光軸に対して斜めにカットされていてもよい。この場合、光ファイバ１４の出射端と光ファイバ１４の光軸との角度を調整すれば、光ファイバ１４、レンズ２２、および受光素子３３の位置の自由度が広がる。それにより、光半導体装置１００ａ内の機器配置の制約が緩和される。また、受光素子３３などで反射した光の光ファイバ１４への入射を抑制することができる。

（実験例）
比較例に係る光半導体装置２００を用いた際の実験結果と、実施例の変形例２に係る光半導体装置１００ａを用いた際の実験結果と、について説明する。表１に、実験条件を示す。表１に示すように、レンズ２２として、材料ＢＫ−７、直径１．５ｍｍの球面レンズ、光ファイバ１４として、出射端のファイバカット面角度が１０°の光ファイバを用いた。レンズ２２と光ファイバ１４の出射端との距離は、０．８ｍｍとした。レンズ２２と受光素子３３との距離は、２．５ｍｍとした。比較例では、光ファイバ１４の光軸が、レンズ２２の中心を通り、受光素子３３の受光面の中心に位置する。実施例では、レンズ２２の中心は、光ファイバ１４の光軸に対して０．３４ｍｍのオフセットを有する。受光素子３３の受光面の中心は、レンズ２２の中心を光ファイバ１４の光軸方向に延長した点から０．５５ｍｍのオフセットを有する。

図１４（ａ）は、実施例に係る光強度分布を３次元で表した図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の光強度分布を等高線で表した図である。図１４（ａ）および図１４（ｂ）を参照して、光強度が光信号の中心に偏っている。それにより、光信号の中心から離れた箇所における光強度が低下している。これは、複数の光路の光信号の位相差によって、受光素子３３の受光面に複数のピーク光強度が生成されたからである。

図１５は、実験結果を表す図である。図１５において、横軸は受光素子３３に入射される光パワー（ｄＢｍ）を示し、左側の縦軸は光電変換によって得られる光電流（μＡ）を示し、右側の縦軸は光結合効率（Ａ／Ｗ）を示す。図１５の実験例では、結合効率の目標値を０．７５Ａ／Ｗとした。図１５を参照して、比較例では、入射パワーが０ｄＢｍを超えると光電流が飽和するとともに光結合効率が低下したが、実施例では、入射パワーが＋６ｄＢｍでも光電流が飽和せず、光結合効率が低下しなかった。以上の結果から、本実施例に係る光半導体装置を用いることによって、受光素子の空間電荷効果の抑制および受光素子の高光結合効率の両方を実現することがわかった。

（光学系の構成）
図１６は、本発明による光学系の構成の一例を説明するための図である。図１６は出射端面、レンズ、および受光面を結ぶ中心光軸、ならびに、レンズ中心を基準にした出射端面と受光面の位置関係を示す図である。図１６において、Ｌ方向は光ファイバ１４の光軸方向を示し、Ｘ方向は光ファイバ１４の光軸と直交する面における位置を示す。「θ」は、光ファイバ１４の出射端から出射される光信号の光軸が光ファイバ１４の光軸となす角度である。「φ」は、レンズ２２の直径である。「ｎ_ｉ」は、レンズ２２の屈折率（１．５〜１．６程度）である。ここで、「Ｌ１」を光ファイバ１４の出射端のＬ方向の位置とし、「Ｘ１」を光ファイバ１４の出射端のＸ方向の位置とする。また、「Ｌ２」を受光素子３３の受光面のＬ方向の位置とし、「Ｘ２」を受光素子３３の受光面のＸ方向の位置とする。

図１６の構成において、受光素子３３の受光面における光強度分布に複数のピークが生じるための条件の一例を示す。以下は、光ファイバ１４から出射される光信号の波長が１．２μｍ〜１．６μｍである場合における条件である。また、光ファイバカット面角度とは、光ファイバ１４の光軸（方向Ｌ）に対してレンズ側に傾斜したカット面の角度を意味する。光ファイバカット面角度が０°とは、光ファイバ１４の端面が方向Ｘに平行である場合を意味する。なお、これらの条件は光学解析シミュレーションによって、各パラメータを調節しながら好適な条件を求めることで得ることができる。

（条件１）光ファイバ１４の出射端のファイバカット面角度が６°、レンズ２２の直径が１．５ｍｍの場合において、Ｌ２／Ｘ２が５．０であるときに受光素子３３の受光面における光強度分布に複数のピークが生じる。
（条件２）光ファイバ１４の出射端のファイバカット面角度が１０°、レンズ２２の直径が１．０ｍｍの場合において、Ｌ２／Ｘ２が２．６であるときに受光素子３３の受光面における光強度分布に複数のピークが生じる。
（条件３）光ファイバ１４の出射端のファイバカット面角度が１０°、レンズ２２の直径が１．５ｍｍの場合において、Ｌ２／Ｘ２が４．５であるときに受光素子３３の受光面における光強度分布に複数のピークが生じる。
（条件４）光ファイバ１４の出射端のファイバカット面角度が１０°、レンズ２２の直径は、２．０ｍｍの場合おいてＬ２／Ｘ２が５．２であるときに受光素子３３の受光面における光強度分布に複数のピークが生じる。

なお、本発明は係る特定の実施形態および実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ 光入力部
１４ 光ファイバ
２０ 集光部
２２ レンズ
３０ 受光部
３３ 受光素子
３５，３６ リード
３８ 集光部
１００ 光半導体装置

Claims (4)

1. レンズと、
   前記レンズを通過した光信号が入力される受光素子と、を備え、
   前記レンズと前記受光素子の受光面との間において、前記光信号の第１の光路と、前記第１の光路と異なる長さの第２の光路とが交差し、
   前記第１の光路を通過する光と前記第２の光路を通過する光との位相差に起因して前記受光素子の受光面において複数のピーク光強度が生成されることを特徴とする光半導体装置。
2. 前記レンズに入力される光信号は、光ファイバから出射され、
   前記光ファイバの出射端は、前記光ファイバの光軸に対して斜めにカットされていることを特徴とする請求項１記載の光半導体装置。
3. 前記レンズは、球面レンズであることを特徴とする請求項１または２記載の光半導体装置。
4. 前記受光素子は、光入射側に曲率を有する集光部が設けられたフォトダイオードであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光半導体装置。

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