JP2013207027A - フォトダイオードアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】ファイバアレイに対して、高い結合効率を得る。
【解決手段】各フォトダイオード１２が、光ファイバ２０から届いた光ビームＢの面積より大きく、かつ、これらフォトダイオードが配置されている配列方向の長さが、当該配列方向と直交する直交方向の長さより長い受光面を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信や光計測に用いられるフォトダイオードに関し、特に、多チャンネルの光信号を扱うフォトダイオードアレイに関するものである。

近年、１つのチップに複数の光信号を入力するフォトダイオードアレイと、整列した複数本の光ファイバ（多心テープファイバ）とを、１枚または１組の光学レンズを介して一括して光結合させる多チャンネルの光信号を扱う光受信モジュールが用いられるようになっている。このような多チャンネル光受信モジュールでは、従来、アレイ方向とそれと垂直方向に同程度の広がりを持つ受光面を有するフォトダイオードをアレイ方向に配列したフォトダイオードアレイが使用されていた（例えば、非特許文献１など参照）。

T. Furuta, T. Itoh, H. Fukuyama, K. Yoshino, E. Yoshida, H. Kawakami, Y. Muramoto, F. Nakajima, K. Murata, and R. Takahashi "Single-Package 2-channel Balanced Receiver Module for 43-Gbit/s DQPSK, " ECOC 2008, P.2.13, vol. 5, pp. 77-78, 2008.

一組のフォトダイオード−ファイバ間を単純な１枚レンズにより光学的に結合する場合、フォトダイオード−レンズ或いはファイバ−レンズ間距離のいずれか一方が設計値から少しずれたとしても、調芯によりビームが焦点を結ぶように他方の距離を調整すれば、大きな結合損失には至らない。この場合、結合損失はビームサイズが像倍率の変動によって設計値から変わることにより発生する。

しかし、複数のフォトダイオードを１つの半導体チップ上に集積したフォトダイオードアレイと、ファイバを並べたファイバアレイを同様な１枚レンズで結合する場合には、ビームが焦点を結ぶように調芯しても、像倍率が設計値とずれるため、結像するビームのピッチがフォトダイオードアレイのピッチとずれてしまう。通常、アレイのピッチはビームサイズより１０倍以上大きいため、結像位置では、像倍率のわずかなずれにより、ビームサイズの変動に比べてはるかに大きなビームピッチの変動が生じる。

このため、１つのフォトダイオードとファイバを最大の結合効率が得られるよう調芯して固定しても、他のフォトダイオードとファイバが全く結合できないということが起きうる。このように、フォトダイオードアレイとファイバアレイを１枚レンズで結合する場合には、像倍率の変動に起因したピッチずれのため、１つのフォトダイオード−ファイバ間を結合する場合に比べて、光軸方向における位置ずれのトレランスが極端に小さくなるという問題があった。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、ファイバアレイに対して、高い結合効率が得られるフォトダイオードアレイを提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかるフォトダイオードアレイは、複数のフォトダイオードが一列に配置されてなるフォトダイオードアレイにおいて、前記各フォトダイオードは、光ファイバから届いた光ビームの面積より大きく、かつ、これらフォトダイオードが配置されている配列方向の長さが、当該配列方向と直交する直交方向の長さより長い受光面を有している。

また、上記フォトダイオードアレイにかかる一構成例は、前記受光面が、長円形状、楕円形状、または矩形形状からなる。

本発明によれば、フォトダイオードアレイとファイバアレイの光学結合における光軸方向Ｚトレランスが大幅に改善されるため、結合効率の高い多チャンネル光受信モジュールを低コストで実現することができる。また、フォトダイオードとレンズ間の距離のトレランスが１チャンネル（１芯）光受信モジュールと同程度まで大きくなるので、１チャンネル光受信モジュールの場合と同様の部材、組立装置、組立手順で、多チャンネル光受信モジュールを組み立てることができ、部材の低コスト化および初期コスト低減が可能となる。

本発明にかかるフォトダイオードアレイの構成を示す正面図である。 光ビームとフォトダイオードとの結合例を示す説明図である。 本発明にかかるフォトダイオード受光面（長円形状）を示す説明図である。 フォトダイオードアレイの位置ずれのトレランスを示す説明図である。 従来のフォトダイオード受光面を示す説明図である。 本発明にかかるフォトダイオード受光面（楕円形状）を示す説明図である。 本発明にかかるフォトダイオード受光面（矩形形状）を示す説明図である。

次に、本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。
まず、図１を参照して、本実施の形態にかかるフォトダイオードアレイ１０について説明する。図１は、本発明にかかるフォトダイオードアレイの構成を示す正面図である。

このフォトダイオードアレイ１０は、複数のフォトダイオード１２を１つの半導体基板１１上に集積した半導体装置である。図１では、４つのフォトダイオード１２が、配列方向Ｘに沿って、一列に配置されている。これらフォトダイオード１２は、例えばｐｎ接合やｐｉｎ構造を有し、入射した光子により励起された電子の移動を、光電流として出力する一般的な構成を有しており、公知の半導体製造プロセス技術において、その受光面の大きさや形状を任意に調整できる。

各フォトダイオード１２は、それぞれ同一の受光面１３を有している。本実施の形態は、各フォトダイオード１２が、受光面１３として、光ファイバから届いた光ビームの面積より大きく、かつ、フォトダイオード１２の配列方向Ｘの長さａが、配列方向Ｘと直交する直交方向Ｙの長さｂより長い（ａ＞ｂ）受光面を有することを特徴としている。

フォトダイオードアレイ１０は、光通信で用いられる光受信モジュールにおいて、複数の光ファイバからなるファイバアレイからの光信号を、それぞれのチャネルの電気信号に変換する際、これら複数の独立した光信号を効率よく電気信号に変換するために用いられる。

図２は、光ビームとフォトダイオードとの結合例を示す説明図である。
各光ファイバ２０から出射された光ビームＢは、ある程度の広がりを持っているため、それぞれに設けられたレンズ２１を介して、フォトダイオードアレイ１０のうち、当該光ファイバ２０と対応するフォトダイオード１２の受光面１３に導かれて結合される。ここでは、レンズ２１の焦点距離をｆとし、光ファイバ２０からレンズ２１のレンズ主点までの距離を対物距離ｆ１とし、レンズ２１のレンズ主点から受光面１３までの距離を結像距離ｆ２とする。また、配列方向Ｘおよび直交方向Ｙに対して垂直な方向を、光軸方向Ｚという。

通常、これらレンズ２１は、取付などを考慮して、フォトダイオード１２の配列方向Ｘに沿って、１つのレンズアレイ２２上に、一列に配置されて形成される。
したがって、このようなレンズアレイ２２を用いた場合、これら光ビームＢとフォトダイオード１２とからなる組のうち、ある組で光ビームＢの照射位置と受光面１３とにずれが生じた場合、他の組にも影響を与えることになる。

図３は、本発明にかかるフォトダイオード受光面（長円形状）を示す説明図である。図４は、フォトダイオードアレイの位置ずれのトレランスを示す説明図である。
本実施の形態において、各フォトダイオード１２は、これらフォトダイオードが配置されている配列方向の長さａが、当該配列方向と直交する直交方向の長さｂより長い（ａ＞ｂ）、長円形状の受光面１３を有している。これにより、組をなす光ビームＢと受光面１３について、配列方向Ｘの位置ずれに対するトレランスが、受光面１３の中心点Ｐを中心として±Δａ／２となり、直交方向Ｙの位置ずれに対するトレランスが±Δｂ／２となるよう光学設計されている。

この場合、図４に示すように、フォトダイオードアレイ１０の４つのフォトダイオード１２の両端に位置する両端素子について、受光面１３と光ビームＢとの位置ずれを考慮すると、ファイバアレイから受光面１３に届いた各光ビームＢのうち、その両端に位置する光ビームの中心間の距離、すなわち受光面１３における両端光ビーム間隔Ｌは、その最大値Ｌｍａｘと最小値Ｌｍｉｎとの差がΔａ×２となる。

このため、両端光ビーム間隔Ｌと、両端素子の中心間の距離、すなわち両端素子間隔Ｗ（設計値）との位置ずれのトレランスは、±Δａまで許容できることになる。したがって、このトレランスは、像倍率Ｍの割合にして、±Δａ／Ｗだけ位置ずれした場合に発生するずれ量に相当する。この際、像倍率Ｍは、通常、光ファイバ２０の出射口における光ビームＢの直径と、受光面１３に結像した光ビームＢの直径との比率で表される。

一方、図２において、焦点距離ｆ、結像距離ｆ２、および像倍率Ｍの関係は、ｆ２＝ｆ×（Ｍ＋１）で表される。なお、対物距離ｆ１については、ｆ１＝ｆ（１／Ｍ＋１）で表される。
したがって、像倍率Ｍの割合における上記ずれ量±Δａ／Ｗは、結像距離ｆ２の比率において｛Ｍ×（１±Δａ／Ｗ）＋１｝／（Ｍ＋１）となり、結像距離ｆ２の実距離においてｆ×｛Ｍ×（１±Δａ／Ｗ）＋１｝のずれ量に相当する。

これにより、図３に示したように、１つのフォトダイオード１２の受光面１３における、配列方向Ｘの広がりをａとした場合、配列方向Ｘと直交方向Ｙの広がりが等しくｂである場合と比べ、配列方向Ｘの位置ずれに対するトレランスが±（ａ−ｂ）／２だけ大きくなる。
このため、光軸方向Ｚにおける、光ファイバ２０とフォトダイオードアレイ１０との間の位置ずれのトレランスが、ｆ×［Ｍ×（１±｛（ａ−ｂ）／Ｗ｝＋１］だけ拡大することになる。

図５は、従来のフォトダイオード受光面を示す説明図である。ここでは、配列方向Ｘと直交方向Ｙの広がりが等しくｂである受光面１３が示されている。
具体例として、４つのフォトダイオードが１２７μｍで配列されたフォトダイオードアレイを、４芯のファイバアレイと結合させる場合、レンズ２１の焦点距離ｆを１．２ｍｍとし、像倍率Ｍを１とした場合、結像距離ｆ２は、ｆ２＝１．２ｍｍ×（１＋１）＝２．４ｍｍとなる。

ここで、１組の光ファイバとフォトダイオードとの光学結合について、両者の位置ずれに対して１０％の結合損失を許容するトレランスＴが、配列方向Ｘおよび直交方向Ｙにおいて、共に±２．５μｍとなるよう、受光面を設計したものとする。
したがって、４つのフォトダイオードの両端素子の両端素子間隔Ｗと、これら素子と対応する光ビームの両端光ビーム間隔Ｌ（＝１２７μｍ×３）のずれ量は、±５μｍまで許容されることになる。この±５μｍのトレランスは、光軸方向Ｚにおける結像距離ｆ２のずれ量に換算した場合、比率で±０．６５％、実距離で±１５．５μｍのトレランスに相当する。

一方、図３に示すように、本発明を適用して、配列方向Ｘにおける受光面１３の長さを、図５の場合から１５μｍだけ広げて、受光面１３を設計した場合、１組の光ファイバとフォトダイオードとの光学結合について、両者の位置ずれに対して１０％の結合損失を許容するトレランスＴは、配列方向Ｘにおいて±１０μｍとなる。
したがって、４つのフォトダイオードの両端素子の両端素子間隔Ｗと、これら素子と対応する光ビームの両端光ビーム間隔Ｌ（＝１２７μｍ×３）のずれ量は、±２０μｍまで許容されることになる。この±２０μｍのトレランスは、光軸方向Ｚにおける結像距離ｆ２のずれ量に換算した場合、比率で±２．６％、実距離で±６２μｍのトレランスに相当する。

１組の光ファイバとフォトダイオードとの光学結合において、光軸方向Ｚの距離が設計値からずれた場合、受光面でのビームサイズが変化することとなり、光の結合度が低下する。しかし、このトレランスは、配列方向Ｘや直交方向Ｙのトレランスに比べてはるかに大きく、通常、±１００μｍ程度である。
したがって、配列方向Ｘにおけるビームアレイのピッチずれに対する結合トレランスが拡大されれば、フォトダイオードアレイとファイバアレイの光学結合において、光軸方向Ｚのトレランスが大幅に改善される。

このように、本実施の形態は、フォトダイオードアレイ１０において、各フォトダイオード１２の受光面１３を、配列方向Ｘの長さａが、直交方向Ｙの長さｂより長くしたので、配列方向Ｘおよび直交方向Ｙの長さがｂである受光面の場合と比較して、フォトダイオード１２の両端素子の両端素子間隔Ｗと両端光ビーム間隔Ｌとの位置ずれに対するトレランスを広げることができる。
したがって、光軸方向Ｚにおける、光ファイバ２０とフォトダイオードアレイ１０との間の位置ずれのトレランスを、大幅に改善することができる。これにより、ファイバアレイのすべての光ファイバ２０について、当該光ファイバ２０と対応するフォトダイオード１２との間で、高い結合効率を得ることができ、結果として、結合効率の高い多チャンネル光受信モジュールを低コストで実現することが可能となる。

また、レンズ２１とフォトダイオード１２との間の結像距離ｆ２のトレランスが、１チャンネル（１芯）モジュールと同程度まで大きくなるので、１チャンネルモジュールの場合と同様の部材、組立装置、組立手順で、多チャンネルモジュールを組み立てることができ、部材の低コスト化および初期コスト低減が可能となる。例えば、部材の製造公差、あるいは、機械搭載の精度をこの範囲内に収めることによって、フォトダイオードとレンズを光軸方向Ｚの調芯なしで固定することも可能となり、部材点数および組み立て時間の短縮を図ることができる。

特に、本発明の効果は、高ビットレートの信号を受信する高速フォトダイオードの場合に顕著である。ビームアレイのピッチずれに対するトレランスを拡大するだけであれば、受光面の直交方向Ｙにも配列方向Ｘと同様の広がりを持たせても問題ないが、この場合、素子の接合容量が大幅に増大するので、素子の動作帯域が小さくなり、高ビットレートの信号を受信することができなくなる。

なお、本実施例では単純な１枚レンズを用いた結合を例に挙げたが、２枚レンズを用いた場合にも適用できる。例えば、２枚レンズについてフォトダイオード側から第１レンズおよび第２レンズとした場合、第１レンズからフォトダイオードまでの距離、あるいは、光ファイバから第２レンズまで距離のうち、いずれか一方が設計値から少しずれると、像倍率が設計値からずれて、ビームアレイのピッチずれが発生する。

このような場合にも、本発明のフォトダイオードアレイを用いればビームアレイのピッチずれに対する結合トレランスが拡大され、フォトダイオードアレイと、ファイバアレイの光学結合における光軸方向Ｚのトレランスが大幅に改善される。したがって、２枚レンズを用いた場合にも、本発明のフォトダイオードアレイを適用すれば、結合効率の高い多チャンネル光受信モジュールを低コストで実現することができる。

また、本実施の形態では、フォトダイオードアレイと光学結合させる対象を多芯ファイバアレイである場合を例として説明したが、これに限定されるものではなく、複数の出力導波路を有する平面型光導波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）であってもよい。

さらに、本実施の形態では、ファイバアレイから出射される光ビームが、配列方向Ｘ、直交方向Ｙにおいて、同様の広がり（ビームサイズ）を持っている場合を例として説明したが、これに限定されるものではなく、ビーム広がりが異なっていてもよい。
この場合、配列方向Ｘの広がりａを直交方向Ｙの広がりｂより大きくする代わりに、１組のフォトダイオードと光ビームに関する、配列方向Ｘの位置ずれに対するトレランスΔａを、ビームとの直交方向Ｙの位置ずれに対するトレランスΔｂより大きくすれば同様の効果が得られることは上述の動作より自明である。

また、本実施の形態では、フォトダイオード１２の受光面１３が、全体として長円形状をなす場合を例として説明したが、これに限定されるものではなく、楕円形状や矩形形状であってもよい。
図６は、本発明にかかるフォトダイオード受光面（楕円形状）を示す説明図である。図７は、本発明にかかるフォトダイオード受光面（矩形形状）を示す説明図である。これら図６および図７に示すように、これら受光面１３の形状は、いずれにおいても、配列方向Ｘの長さａが、配列方向Ｘと直交する直交方向Ｙの長さｂより長い（ａ＞ｂ）形状をなしていればよい。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。

１０…フォトダイオードアレイ、１１…半導体基板、１２…フォトダイオード、１３…受光面、２０…光ファイバ、２１…レンズ、２２…レンズアレイ、Ｂ光ビーム、Ｘ…配列方向、Ｙ…直交方向、Ｚ…光軸方向、ａ…長さ（配列方向Ｘ）、ｂ…長さ（直交方向）、Δａ…トレランス（配列方向Ｘ）、Δｂ…トレランス（配列方向Ｙ）、Ｌ…両端光ビーム間隔、Ｗ…両端素子間隔、ｆ…焦点距離、ｆ１…対物距離、ｆ２…結像距離、Ｍ…像倍率、Ｔｚ…トレランス（光軸方向Ｚ）。

Claims (2)

1. 複数のフォトダイオードが一列に配置されてなるフォトダイオードアレイにおいて、
   前記各フォトダイオードは、光ファイバから届いた光ビームの面積より大きく、かつ、これらフォトダイオードが配置されている配列方向の長さが、当該配列方向と直交する直交方向の長さより長い受光面を有していることを特徴とするフォトダイオードアレイ。
2. 請求項１に記載のフォトダイオードアレイは、
   前記受光面が、長円形状、楕円形状、または矩形形状からなることを特徴とするフォトダイオードアレイ。

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