JP2013200403A - 受光素子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも高周波特性及び受光感度が高い受光素子モジュールを提供する。
【解決手段】受光素子モジュール１００は、第１波長の光信号又は第２波長の光信号を屈折させる第１屈折部１２１と、第１屈折部１２１で屈折させられた第１波長の光信号及び第２波長の光信号を、色収差が低減するように屈折させる第２屈折部１２２と、を備える。また、受光素子モジュール１００は、第２屈折部１２２で屈折させられた第１波長の光信号又は第２波長の光信号を光電変換により電気信号に変換する受光素子１３０を備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、受光素子モジュールに関する。

特許文献１には、信号光を伝達させる光ファイバと、信号光を導波路型の受光素子に結像させるレンズと、受光素子が光電変換により出力する電気信号を増幅させる増幅器と、を有する受光素子モジュールが記載されている。

特開２００１−２２３３６９号公報

特許文献１に開示されている導波路型の受光素子で、高周波特性を高くするには、キャリアがフォトダイオードの光吸収層を走行する時間を短くする必要がある。このため、導波路の幅を狭くする必要があるので、光ファイバから出射される光を導波路へ結合させるレンズの屈折率を大きくする必要がある。

光ファイバから出射される異なる波長の信号を、屈折率の大きなレンズで結合させると、レンズにより発生する光の色収差が大きくなるので、結合点の位置ズレが大きくなり、受光素子モジュールの受光感度が低下してしまうという問題があった。この問題は、導波路型でない一般的な受光素子でも発生する。

本発明は、上記実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、従来よりも高周波特性及び受光感度が高い受光素子モジュールを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る受光素子モジュールは、
第１波長の光信号又は第２波長の光信号を屈折させる第１屈折手段と、
前記第１屈折手段で屈折させられた前記第１波長の光信号と前記第２波長の光信号とを、色収差が低減するように屈折させる第２屈折手段と、
前記第２屈折手段で屈折させられた第１波長の光信号又は第２波長の光信号を光電変換により電気信号に変換する受光素子と、を備える。

本発明によれば、従来より高周波特性及び受光感度が高い受光素子モジュールを提供できる。

本発明の実施形態に係る受光素子モジュールを表す斜視図である。 図１に示した受光素子モジュールのＡＡ'断面図である。 本発明の実施形態の変形例２に係る受光素子モジュールの屈折部を表す断面図である。 本発明の実施形態の変形例４に係る受光素子モジュールの屈折部を表す断面図である。 本発明の実施形態の変形例６に係る受光素子モジュールのＡＡ'断面図である。

＜実施形態＞
以下、本発明の実施形態に係る受光素子モジュール１００について、添付図面を参照しつつ説明する。

図１は、受光素子モジュール１００の斜視図であり、図２は、受光素子モジュール１００のＡＡ’断面図である。

受光素子モジュール１００は、光ファイバ２１０が接続されたパッケージ１１０の内部に、フェルール部２００の光ファイバ２１０から出力された光信号を屈折させる屈折部１２０と、屈折部１２０で屈折させられた光信号を光電変換する導波路型の受光素子１３０と、が内蔵されている。また、パッケージ１１０の内部には、受光素子１３０から出力される電気信号を増幅させる増幅素子１４０と、増幅された電気信号を処理するＲＦ（Radio Frequency）基板１５０と、がさらに内蔵されている。

光ファイバ２１０は、国際電気通信連合の標準規格ITU-T G.693で定められた１３１０ナノメートルの波長（以下、第１波長という）の光信号と、１５５０ナノメートルの波長（以下、第２波長という）の光信号と、が伝達される。

屈折部１２０は、図２に示すように、第１屈折部１２１と、第２屈折部１２２と、で構成される。第１屈折部１２１は、屈折力が正の凸レンズであり、光ファイバ２１０から出力された光信号を収束させる。第２屈折部１２２は、屈折力が負の凹レンズであり、第１屈折部１２１で収束された光信号を発散させ、発散させた光信号を受光素子１３０に入射する。第１屈折部１２１と第２屈折部１２２とで、屈折させられた第１波長の光信号と第２波長の光信号との色収差を低減させる。

光ファイバの端面の中心点Ｐｅと、第１屈折部１２１の主点Ｐ１と、第２屈折部１２２の主点Ｐ２と、受光素子１３０の受光面の中心点Ｐａと、が、それぞれ略同一直線上に位置するように、光ファイバ２１０、第１屈折部１２１、第２屈折部１２２、及び受光素子１３０は、配置されている。受光素子１３０の受光効率を高くするためである。

ここで、第１屈折部１２１と、第２屈折部１２２と、の合成屈折率ｋは、「ｋ＝ｋ１＋ｋ２−ｄｋ１・ｋ２」という式で表される。

第１屈折部１２１と第２屈折部１２２とは、合成屈折率ｋに関する以下の条件式（１）から（３）を満足する距離ｄだけ互いに離れた位置に配置され、条件式（１）から（３）を満足する曲率ｒ１からｒ４を有するように構成されている。このため、第１波長を屈折させる場合と、第２波長を屈折させる場合と、で、第１屈折部１２１と第２屈折部１２２との合成屈折率ｋが変化しない若しくは変化し難い。

Δｋ＝Δｋ１＋Δｋ２−ｄ（Δｋ１・ｋ２＋ｋ１・Δｋ２）≦ε・・・（１）
Δｋ１＝Δｎ１(ｒ１−ｒ２)・・・（２）
Δｋ２＝Δｎ２(ｒ３−ｒ４)・・・（３）
但し、
ｋ１・・・第１屈折部１２１の屈折力
ｋ２・・・第２屈折部１２２の屈折力
Δｋ１・・・第１波長の光信号に対する第１屈折部１２１の屈折力−第１波長と異なる第２波長の光信号に対する第１屈折部１２１の屈折力
Δｋ２・・・第１波長の光信号に対する第２屈折部１２２の屈折力−第２波長の光信号に対する第２屈折部１２２の屈折力
ｄ・・・第１屈折部１２１と第２屈折部１２２との距離
ｒ１・・・第１屈折部１２１の光ファイバ側の曲率
ｒ２・・・第１屈折部１２１の第２屈折部１２２側の曲率
ｒ３・・・第２屈折部１２２の第１屈折部１２１側の曲率
ｒ４・・・第２屈折部１２２の受光素子１３０側の曲率
Δｎ１・・・第１波長の光信号に対する第１屈折部１２１の屈折率−第２波長の光信号に対する第１屈折部１２１の屈折率
Δｎ２・・・第１波長の光信号に対する第２屈折部１２２の屈折率−第２波長の光信号に対する第２屈折部１２２の屈折率

ε・・・所定の定数。
好適なεの範囲は、当業者が実験により定めることができ、最適なεは、値「0」である。

これらの構成によれば、第１屈折部１２１と第２屈折部１２２とは、条件式（１）を満足しているので、第１波長の光信号に対する合成屈折力と、第２波長の光信号に対する合成屈折力と、の差異が生じない、若しくは、生じ難くい。このため、第１波長の光信号と第２波長の光信号との色収差が生じない、若しくは、生じ難いので、高周波特性を向上させるために、第１屈折部１２１と第２屈折部１２２との合成屈折力ｋを大きくしても、受光素子の受光感度が低下しない、若しくは、低下し難い。

本実施形態では、光ファイバ２１０を伝達される光信号として、１３１０ナノメートルの波長（つまり、第１波長）の光信号と、１５５０ナノメートルの波長（つまり、第２波長）の光信号と、を例に挙げて説明したが、光ファイバ２１０を伝達される光信号の波長は、これに限定される訳ではない。また、本実施形態では、受光素子１３０は、導波路型であると説明したが、これに限定される訳ではなく、例えば、面受光型の素子であっても良い。

＜実施形態の変形例１＞
本実施形態では、第１屈折部１２１は屈折力が正の凸レンズであり、第２屈折部１２２は屈折力が負の凹レンズであるとして説明した。しかし、これに限定される訳ではなく、第１屈折部１２１は屈折力が負の凹レンズであり、第２屈折部１２２は屈折力が正の凸レンズであるとしても良い。

＜実施形態の変形例２＞
実施形態では、屈折部１２０は、第１屈折部１２１及び第２屈折部１２２という２つのレンズで構成されるとして説明した。しかし、変形例２では、図３に示すような、第１屈折部１２６と第２屈折部１２７と第３屈折部１２８という３つのレンズで構成される。

第１屈折部１２６は、屈折力が負の凹レンズであり、光ファイバ２１０から出力された光信号を発散させる。第２屈折部１２７は、屈折力が正の凸レンズであり、第１屈折部１２１で発散された光信号を収束させる。第３屈折部１２８は、屈折力が負の凹レンズであり、第２屈折部１２７で収束された光信号を発散させ、発散させた光信号を受光素子１３０に入射する。

光ファイバの端面の中心点Ｐｅと、第１屈折部１２６から第３屈折部１２８の主点Ｐ６からＰ８と、受光素子１３０の受光面の中心点Ｐａと、が、それぞれ略同一直線上に位置するように、光ファイバ２１０、第１屈折部１２６から第３屈折部１２８、及び受光素子１３０は、配置されている。

第１屈折部１２６と第２屈折部１２７とは、上記の条件式（１）から（３）を満足する距離ｄだけ互いに離れた位置に配置され、上記の条件式（１）から（３）を満足する曲率ｒ１からｒ４を有するように構成されている。

また、第２屈折部１２７と第３屈折部１２８との合成屈折率ｋ’は、「ｋ’＝ｋ２＋ｋ３−ｄ’ｋ２・ｋ３」という式で表される。

第２屈折部１２７と第３屈折部１２８とは、以下の条件式（４）から（６）を満足する距離ｄ’だけ互いに離れた位置に配置され、以下の条件式（４）から（６）を満足する曲率ｒ３からｒ６を有するように構成されている。このため、第１波長を屈折させる場合と、第２波長を屈折させる場合と、で、第２屈折部１２７と第３屈折部１２８との合成屈折率ｋが変化しない若しくは変化し難い。

Δｋ’＝Δｋ２＋Δｋ３−ｄ’（Δｋ２・ｋ３＋ｋ２・Δｋ３）≦ε’・・・（４）
Δｋ２＝Δｎ２(ｒ３−ｒ４)・・・（５）
Δｋ３＝Δｎ３(ｒ５−ｒ６)・・・（６）
但し、
ｋ２・・・第２屈折部１２７の屈折力
ｋ３・・・第３屈折部１２８の屈折力
Δｋ２・・・第１波長の光信号に対する第２屈折部１２７の屈折力−第２波長の光信号に対する第２屈折部１２７の屈折力
Δｋ３・・・第１波長の光信号に対する第３屈折部１２８の屈折力−第２波長の光信号に対する第３屈折部１２８の屈折力
ｄ’・・・第２屈折部１２７と第３屈折部１２８との距離
ｒ３・・・第２屈折部１２７の第１屈折部１２６側の曲率
ｒ４・・・第２屈折部１２７の第３屈折部１２８側の曲率
ｒ５・・・第３屈折部１２８の第２屈折部１２７側の曲率
ｒ６・・・第３屈折部１２８の受光素子１３０側の曲率
Δｎ２・・・第１波長の光信号に対する第２屈折部１２７の屈折率−第２波長の光信号に対する第２屈折部１２７の屈折率
Δｎ３・・・第１波長の光信号に対する第３屈折部１２８の屈折率−第２波長の光信号に対する第３屈折部１２８の屈折率
ε’・・・所定の定数

好適なε’の範囲は、当業者が実験により定めることができ、最適なε’は、値「0」である。

これらの構成によれば、第１屈折部１２６と第２屈折部１２７との合成屈折率が第１波長と第２波長とで変化しない、若しくは変化し難い。また、第２屈折部１２７と第３屈折部１２８との合成屈折率が第１波長と第２波長とで変化しない、若しくは変化し難い。このため、第１屈折部１２６と第２屈折部１２７と第３屈折部１２８との合成屈折率が第１波長と第２波長とで変化しない、若しくは変化し難い。

＜実施形態の変形例３＞
本実施形態の変形例２では、屈折部１２０は、第１屈折部１２６と第２屈折部１２７と第３屈折部１２８とで構成され、第１屈折部１２６と第２屈折部１２７と第３屈折部１２８との合成屈折率が第１波長と第２波長とで変化しない、若しくは変化し難いと説明した。しかし、屈折部１２０は、ｎ個の屈折部で構成され、それぞれ隣接する屈折部同士は、上記条件式（１）から（３）を満足する距離だけ互いに離して配置され、上記条件式（１）から（３）を満足する曲率を有するとしても良い。これらの構成によれば、ｎ個の屈折部の合成屈折率が第１波長と第２波長とで変化しない、若しくは変化し難い。

＜実施形態の変形例４＞
本実施形態では、屈折部１２０は、第１屈折部１２１及び第２屈折部１２２という２つのレンズで構成されるとして説明した。しかし、図３に示すような、第１屈折部１２１と第２屈折部１２２という２つのレンズを張り合わせた１つのタブレットを屈折部１２０として用いても良い。

この構成によれば、屈折部１２０が２枚のレンズを張り合わせた１つのタブレットで構成されるので、屈折部１２０が２枚のレンズで構成される場合と比べて、受光素子モジュールを小型化できる。

＜実施形態の変形例５＞
本実施形態では、屈折部１２０は、第１屈折部１２１及び第２屈折部１２２という２つのレンズで構成されるとして説明した。しかし、屈折部１２０は、図５に示すような、屈折力が正の凸レンズである第１屈折部１２１と、第１屈折部１２１の受光素子１３０側の表面に形成された、屈折力が負の回折格子である第２屈折部１２３と、で構成されても良い。

第１屈折部１２１と第２屈折部１２３とは、上記の条件式（１）を満足するように構成されている。このため、第１波長を屈折させる場合と、第２波長を屈折させる場合と、で、第１屈折部１２１と第２屈折部１２３との合成屈折率ｋが変化しない若しく変化し難い。

よって、これらの構成によれば、屈折部１２０が１枚のレンズと、当該レンズの表面に形成された回折格子とで構成されるので、屈折部１２０が２枚のレンズ、若しくは、２つのレンズを張り合わせた１つのタブレットで構成される場合と比べて、受光素子モジュールを小型化できる。

＜実施形態の変形例６＞
実施形態の変形例５では、屈折部１２０は、屈折力が正の凸レンズである第１屈折部１２１と、第１屈折部１２１の受光素子１３０側の表面に形成された、屈折力が負の回折格子である第２屈折部１２３と、で構成されるとして説明した。

しかし、これに限定される訳ではなく、屈折部１２０は、屈折力が正の凸レンズである第１屈折部１２１と、第１屈折部１２１の光ファイバ２１０側の表面に形成された、屈折力が負の回折格子である第２屈折部１２３と、で構成されるとしても良い。

＜実施形態の変形例７＞
また、屈折部１２０は、屈折力が負の凹レンズである第１屈折部１２１と、第１屈折部１２１の表面に形成された、屈折力が正の回折格子である第２屈折部１２３と、で構成されるとしても良い。第２屈折部１２３は、第１屈折部１２１の受光素子１３０側の表面に形成されても良いし、第１屈折部１２１の光ファイバ２１０側の表面に形成されても良い。

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施形態は、本発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。つまり、本発明の範囲は、実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、本発明の範囲内とみなされる。

１００ 受光素子モジュール
１１０ パッケージ
１２０ 屈折部
１２１ 第１屈折部
１２２，１２３ 第２屈折部
１３０ 受光素子
１４０ 増幅素子
１５０ ＲＦ基板
２００ フェルール部
２１０ 光ファイバ

Claims (5)

1. 第１波長の光信号又は第２波長の光信号を屈折させる第１屈折手段と、
   前記第１屈折手段で屈折させられた前記第１波長の光信号と前記第２波長の光信号とを、色収差が低減するように屈折させる第２屈折手段と、
   前記第２屈折手段で屈折させられた第１波長の光信号又は第２波長の光信号を光電変換により電気信号に変換する受光素子と、を備える、
   ことを特徴とする受光素子モジュール。
2. 前記第１屈折手段と、前記第２屈折手段と、は、一体化されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の受光素子モジュール。
3. 前記受光素子は、導波路型である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の受光素子モジュール。
4. 前記第１屈折手段と、前記第２屈折手段と、は、レンズである、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の受光素子モジュール。
5. 前記第１屈折手段と、前記第２屈折手段と、のいずれか一方がレンズであり、残りの一方が回折格子である、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の受光素子モジュール。

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