JP2015201503A

JP2015201503A - 半導体受光装置

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Publication number: JP2015201503A
Application number: JP2014078385A
Authority: JP
Inventors: 好史村本; Yoshifumi Muramoto; 松崎　秀昭; Hideaki Matsuzaki; 秀昭松崎
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-04-07
Filing date: 2014-04-07
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2034-04-07
Also published as: JP6196182B2

Abstract

【課題】配列された複数のフォトダイオードに対して１つのレンズで光結合させる構成において、光軸方向の位置ずれが発生しても、配列周辺部のフォトダイオードに対し、光がずれることなく照射されるようにする。【解決手段】基板１０１の上に配列された面受光型のフォトダイオード１０２，１０３を備える。フォトダイオード１０２，１０３は、配列中央部ほど有効受光面の平面形状が等方的な形状とされ、配列中央部より離れるほど有効受光面の平面形状が配列方向により長い形状とされている。例えば、配列中央部のフォトダイオード１０２は、有効受光面１１２が、円形とされている。一方、配列中央部より離れるフォトダイオード１０３は、有効受光面１１３が、配列方向により長い長円の形状とされている。【選択図】図１

Description

本発明は、複数のフォトダイオードを配列させた半導体受光装置に関する。

半導体受光素子であるフォトダイオード（ＰＤ）は、光通信システムを構成する重要なキーデバイスの１つであり、近年の通信トラフィックの爆発的な増大に対してシステムの開発が進む中、デバイス形態を含めて様々な要求が寄せられている。

例えば、光通信システムの大容量化として差動（差分）位相偏移変調（Differential Phase Shift Keying；ＤＰＳＫ）や差動四位相偏移変調（Differential Quaternary Phase Shift Keying；ＤＱＰＳＫ）、またはデジタルコヒーレント技術といった多値変調技術が盛んに開発されてきている。

これらに伴い、受光装置には、１チップ上に複数のフォトダイオードを配列して集積したマルチチャネル化が求められてきている。単体のフォトダイオードでは、素子特性の改善として高速・高感度化に向けた開発が進んでいるが、マルチチャネル化の場合は、更に光実装と言う新たな課題が生じてくることになる。

従来は、必要なチャネル分だけフォトダイオードを配列し、多心ファイバなどから光を入射している。また、高い結合効率を得るために、光の結合にはマイクロレンズアレイなどが用いられてきた（非特許文献１参照）。しかしながら、これらの構成では、部品のコストも高く、実装も困難であるという問題があった。

一方で、光の結合に径の大きな１枚レンズを用いると、部品コストは下げることが可能となる。しかしながら、１枚のレンズ構成では、実装時のトレランスが小さくなり、実装の困難さが増すと言う問題が生じてくる。

以下、上述した１枚レンズによる実装時のトレランスに関して、図５を用いて説明する。図５は、チップ５０１の上に４つのフォトダイオード５０２ａ，５０２ｂ，５０２ｃ，５０２ｄがｘ軸方向に１列に配列されたマルチチャネル受光装置の構成を示す平面図である。フォトダイオード５０２ａ，５０２ｂ，５０２ｃ，５０２ｄは、面受光型であり、有効受光面５１２が円形とされている。これは、例えば、４０Ｇｂｉｔ／ｓ−ＤＱＰＳＫ方式の光通信システムに用いる光電気変換モジュールへ搭載する、マルチチャネル受光装置である。なお、図５には、レンズを示していない。

ＤＱＰＳＫ方式では、Ｉ−ｃｈとＱ−ｃｈの信号をそれぞれ差動受信するため、合計で４個のフォトダイオードが必要になり、図５に示すように、１つのチップ５０１に、４つのフォトダイオード５０２が集積された形態となる。

光の入射を一般的な２５０μｍピッチの４心ファイバで行うこととし、モジュールの低コスト化のために１枚レンズで光を入射することを考える。ここで、レンズの焦点距離を１５０μｍとし、ファイバからレンズまでの距離を３００μｍと仮定すると、４ｃｈのフォトダイオードアレイに対し、各フォトダイオードの受光面の中心に、増倍率１で光を入射することができる。一般的に光の実装においては、光軸方向のトレランスは大きいとされている。これは、光軸方向で最適位置からずれた場合に、増倍率は変わり光のスポットサイズも変わるが、照射されるスポットの照射位置は変わらないことから、結合効率に大きな差が生じないことによる。

T. Ohyama et al. , "All-in-One 112-Gb/s DP-QPSK OpticalReceiver Front-End Module Using Hybrid Integration of Silica-Based Planar Lightwave Circuit and Photodiode Arrays", IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, vol.24, no.8, pp.646-648, 2012.

しかしながら、多心ファイバからの光を１枚レンズで集光する場合、光軸方向でのずれと増倍率の変化により、図５に例示するように、配列中央部より離れる周辺部の光のスポット５１２ａ，５１２ｄは、スポットサイズだけではなく、照射位置が、対応するフォトダイオード５０２ａ，５０２ｄの中心からずれることになる。

例えば、上記１枚レンズによる光入射時に光軸方向に５μｍのずれが生じると増倍率が１から１．０３に変わる。この結果、４心ファイバから出た光がレンズを通過して結像する際に、各スポットサイズは１０μｍから１０．３μｍに拡大するだけだが、ピッチは、２５０μｍ間隔から２５７．５μｍ間隔になる。このため、配列中央部より離れる周辺部のファイバからの光（スポット）と、フォトダイオードの受光面の中心とは、１１．２５μｍずれてしまう。このように、１枚レンズの構成では、光軸方向のずれにより、配列中央部に対して、周辺部のファイバから出た光は、照射位置が大きくずれることになるという問題があった。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、配列された複数のフォトダイオードに対して１つのレンズで光結合させる構成において、光軸方向の位置ずれが発生しても、配列周辺部のフォトダイオードに対し、光がずれることなく照射されるようにすることを目的とする。

本発明に係る半導体受光装置は、基板の上に配列された４つ以上の面受光型のフォトダイオードを備え、フォトダイオードは、配列中央部ほど有効受光面が等方的な形状とされ、配列中央部より離れるほど有効受光面が配列方向により長い形状とされ、複数のフォトダイオードは、有効受光面の面積が等しくされている。なお、フォトダイオードは、配列中央部ほど有効受光面が円に近い形状とされ、配列中央部より離れるほど有効受光面が配列方向により長い長円形状とされていればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、配列された複数のフォトダイオードに対して１つのレンズで光結合させる構成において、光軸方向の位置ずれが発生しても、配列周辺部のフォトダイオードに対し、光がずれることなく照射できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における半導体受光装置の構成を示す平面図である。図２は、本発明の実施の形態における半導体受光装置の構成を照射される光の状態とともに示す平面図である。図３は、本発明の実施の形態における半導体受光装置の構成を照射される光の状態とともに示す平面図である。図４は、本発明の実施の形態における半導体受光装置の構成を照射される光の状態とともに示す平面図である。図５は、１枚レンズによる半導体受光装置の実装時におけるトレランスに関して説明するための説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における半導体受光装置の構成を示す平面図である。

この半導体受光装置は、基板１０１の上に配列された面受光型のフォトダイオード１０２，１０３を備える。実施の形態では、４つのフォトダイオード１０２，１０３を備える場合を例示しているが、フォトダイオードは、４つ以上であればよい。

また、フォトダイオード１０２，１０３は、配列中央部ほど有効受光面の平面形状が等方的な形状とされ、配列中央部より離れるほど有効受光面の平面形状が配列方向により長い形状とされている。なお、「等方的な形状」は、例えば、円，正方形，正６角形など、点対称な形状のことを示している。例えば、配列中央部ほど有効受光面が円に近い形状とされ、配列中央部より離れるほど有効受光面が配列方向により長い長円形状とされているとよい。実施の形態では、配列中央部のフォトダイオード１０２は、有効受光面１１２が、円形とされている。一方、配列中央部より離れるフォトダイオード１０３は、有効受光面１１３が、配列方向（ｘ軸方向）により長い長円（レーストラック型）の形状とされている。

また、複数のフォトダイオード１０２，１０３は、有効受光面１１２，１１３の面積が、等しくされている。例えば、有効受光面１１２は、直径２０μｍの円形である。一方、有効受光面１１３は、短軸方向（ｙ軸方向）が１２μｍ、長軸方向（ｘ軸方向）が２９μｍとされている。なお、複数のフォトダイオード１０２，１０３は、中心間の間隔が、等しくされ、例えば、２５０μｍ間隔とされている。

具体例として、焦点距離１５０μｍの一枚レンズ系で、配列間隔（ピッチ）２５０μｍ、コア径１０μｍの４心ファイバからの光を、実施の形態における半導体受光装置の各フォトダイオード１０２，１０３に結合することを考える。レンズからファイバまでの距離を３００μｍとすると、レンズから３００μｍの位置に、ピッチ２５０μｍでモードフィールド径１０μｍの光が結像される。従って、この光結像位置に、各フォトダイオード１０２，１０３を配置すると、図２に示すように、各フォトダイオード１０２，１０３の中心位置にモードフィールド径１０μｍのスポット光２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄが入射されることになる。

ここで、レンズからファイバまでの距離が光軸進行方向に５μｍずれて２９５μｍになった場合を考える。この場合、増倍率が１．０３になるが、配列の端のほうのファイバから出射されて結像されるスポット光２０１ａ，２０１ｄは、モードフィールド径が１０．６μｍとなる。また、図３に示すように、スポット光２０１ａ，２０１ｄは、周辺部に配置されるフォトダイオード１０３の有効受光面１１３中心から、周辺側に１１．２５μｍずれた位置に入射される。これに対し、実施の形態によれば、フォトダイオード１０３は、有効受光面１１３の平面形状が配列方向により長い形状とされているので、スポット光２０１ａ，２０１ｄは有効受光面１１３の領域内に納まり、結合の劣化を生じない。

次に、レンズからファイバまでの距離が光の進行と反対方向に５μｍずれて３０５μｍになった場合を考える。この場合、増倍率が０．９７になるが、配列の端のほうのファイバから出射されて結像されるスポット光２０１ａ，２０１ｄは、モードフィールド径が９．６８μｍとなる。また、図４に示すように、スポット光２０１ａ，２０１ｄは、周辺部に配置されるフォトダイオード１０３の有効受光面１１３中心から、配列中心側に１１．２５μｍずれた位置に入射される。この場合においても、実施の形態によれば、フォトダイオード１０３は、有効受光面１１３の平面形状が配列方向により長い形状とされているので、スポット光２０１ａ，２０１ｄは有効受光面１１３の領域内に納まり、結合の劣化を生じない。

以上に説明したように、本発明では、基板の上に配列された４つ以上の面受光型のフォトダイオーの中で、配列中央部より離れる箇所のフォトダイオードほど有効受光面を配列方向により長い形状とした。これにより、本発明によれば、配列された複数のフォトダイオードに対して１つのレンズで光結合させる構成において、光軸方向の位置ずれが発生しても、配列周辺部のフォトダイオードに対し、光がずれることなく照射（結合）されるようになる。

本発明は、多値変調方式を用いた大容量光通信システムで用いられるような、１チップに複数のフォトダイオードが集積化されたフォトダイオードアレイによる半導体受光装置に関するものであり、上述した構成とすることで、光電変換モジュールを組み立てる際の低コスト化として一枚レンズ系を採用した場合にも、実装トレランスを損なうことなく高性能モジュールを作製することを可能にする。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、フォトダイオードは、ｐｉｎ―ＰＤ、ＵＴＣ−ＰＤなど、様々な構造が適用可能であり、アバランシェフォトダイオードであってもよい。

また、有効受光面の平面形状は、円形および長円の組み合わせに限るものではなく、正方形および長方形であってもよく、多角形であってもよい。配列中央部ほど有効受光面がより点対称に近い形状であり、周辺にいくほど配列方向により長い形状となっていれば、どのような形態であってもよい。ただし、一般には、光のスポット系は円形であり、また、フォトダイオードの製造の容易性などを考慮すると、円形および長円の組み合わせが効率的である。

１０１…基板、１０２…フォトダイオード、１０３…フォトダイオード、１１２…有効受光面、１１３…有効受光面、２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄ…スポット光。

Claims

基板の上に配列された４つ以上の面受光型のフォトダイオードを備え、
前記フォトダイオードは、
配列中央部ほど有効受光面が等方的な形状とされ、
配列中央部より離れるほど有効受光面が配列方向により長い形状とされ、
複数の前記フォトダイオードは、有効受光面の面積が等しくされている
ことを特徴とする半導体受光装置。
請求項１記載の半導体受光装置において、
前記フォトダイオードは、
配列中央部ほど有効受光面が円に近い形状とされ、
配列中央部より離れるほど有効受光面が配列方向により長い長円形状とされ
ていることを特徴とする半導体受光装置。