JP2018066888A - Optical module - Google Patents
Optical module Download PDFInfo
- Publication number
- JP2018066888A JP2018066888A JP2016205969A JP2016205969A JP2018066888A JP 2018066888 A JP2018066888 A JP 2018066888A JP 2016205969 A JP2016205969 A JP 2016205969A JP 2016205969 A JP2016205969 A JP 2016205969A JP 2018066888 A JP2018066888 A JP 2018066888A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- semiconductor
- light
- semiconductor substrate
- glass member
- refractive index
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Abstract
Description
本発明は、光モジュールに関するものである。 The present invention relates to an optical module.
特許文献1には、半導体受光素子及び光モジュールに関する技術が開示されている。図10は、特許文献1に記載された半導体受光素子130の積層構成を示す模式図である。半導体受光素子130は、n型InP基板132、n型InGaAs層134、及びn型InP層136を有する。n型InP基板132は、互いに対向する表面及び裏面を有する。n型InGaAs層134は、n型InP基板132の表面上に設けられている。n型InGaAs層134のバンドギャップは、n型InP基板132のバンドギャップよりも小さい。n型InP層136はn型InGaAs層134上に設けられている。n型InP層136の一部にp型領域138,140が設けられている。n型InP層136及びp型領域138にカソード電極142が接続され、p型領域140にアノード電極144が接続されている。n型InP基板132の裏面上には低反射膜146が設けられている。n型InP基板132の裏面が入射光の受光面である。n型InP基板132の裏面には、低反射膜146よりも入射光に対する反射率が高い物質又は構造が設けられていない。光モジュールにおいて、この半導体受光素子130は台座の上にフリップチップ実装されており、半導体レーザ素子から出射された背面光Laが、n型InP基板132の裏面に入射する。
Patent Document 1 discloses a technique related to a semiconductor light receiving element and an optical module. FIG. 10 is a schematic diagram showing a stacked configuration of the semiconductor
特許文献1に記載された光モジュールでは、半導体受光素子が台座上にフリップチップ実装され、半導体レーザ素子の背面光を空気を介して受光する。しかしながら、半導体受光素子の受光形態はこのような形態に限られず、例えば、半導体レーザ素子の正面から出射されたレーザ光の一部を分岐し、その分岐光を受光する形態も存在する。そのような形態の一つとして、レーザ光を分岐するためのビームスプリッタの表面に半導体受光素子を実装してワイヤボンディングを行い、ビームスプリッタにおいて分岐された光を、ビームスプリッタの表面から半導体受光素子の裏面に入射させる形態が考えられる。 In the optical module described in Patent Document 1, the semiconductor light receiving element is flip-chip mounted on a pedestal, and the back light of the semiconductor laser element is received through air. However, the light receiving form of the semiconductor light receiving element is not limited to such a form. For example, there is a form in which part of the laser light emitted from the front surface of the semiconductor laser element is branched and the branched light is received. As one of such forms, a semiconductor light receiving element is mounted on the surface of a beam splitter for branching laser light, wire bonding is performed, and the light branched by the beam splitter is transferred from the surface of the beam splitter to the semiconductor light receiving element. The form which injects into the back surface of this can be considered.
しかしながら、本発明者は、そのような形態において次の課題が存在することを見出した。すなわち、ビームスプリッタと半導体受光素子との間には、無視できない屈折率差が存在する。例えば、半導体受光素子の裏面がInPからなる場合、InPの屈折率は3.20である。一方、ビームスプリッタがガラスからなる場合、ガラスの屈折率は1.50である。加えて、半導体受光素子の裏面を構成する半導体基板と、半導体基板上に積層された受光層を含む半導体積層部との間にも、無視できない屈折率差が存在する。例えば、半導体積層部がInGaAsからなる場合、InGaAsの屈折率は3.92である。本発明者による実験の結果、半導体基板のビームスプリッタ側の界面と半導体積層部側の界面との間において光の多重反射が生じて干渉が生じることがわかった。そして、これらの界面における反射特性が温度及び波長によって変化し、その結果、受光層に入射する光の強度が、温度及び波長の変化に伴って変動することがわかった。 However, the present inventor has found that the following problems exist in such a form. That is, there is a non-negligible refractive index difference between the beam splitter and the semiconductor light receiving element. For example, when the back surface of the semiconductor light receiving element is made of InP, the refractive index of InP is 3.20. On the other hand, when the beam splitter is made of glass, the refractive index of the glass is 1.50. In addition, there is a non-negligible refractive index difference between the semiconductor substrate constituting the back surface of the semiconductor light receiving element and the semiconductor stacked portion including the light receiving layer stacked on the semiconductor substrate. For example, when the semiconductor stacked portion is made of InGaAs, the refractive index of InGaAs is 3.92. As a result of experiments by the present inventor, it has been found that multiple reflection of light occurs between the interface on the beam splitter side of the semiconductor substrate and the interface on the semiconductor laminated portion side, resulting in interference. Then, it was found that the reflection characteristics at these interfaces change with temperature and wavelength, and as a result, the intensity of light incident on the light receiving layer varies with changes in temperature and wavelength.
本発明は、温度及び波長の変化に伴う半導体受光素子の受光層への入射光強度の変動を低減できる光モジュールを提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the optical module which can reduce the fluctuation | variation of the incident light intensity to the light reception layer of the semiconductor light receiving element accompanying the change of temperature and a wavelength.
上述した課題を解決するために、本発明の一実施形態に係る光モジュールは、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子と光学的に結合され、半導体レーザ素子から出力されたレーザ光をコリメート光に変換する第1レンズと、第1レンズと光学的に結合され、コリメート光を集光して光導波路に導く第2レンズと、第1レンズと第2レンズとの間の光路上に設けられ、コリメート光の一部を分岐するビームスプリッタと、ビームスプリッタにより分岐されたコリメート光を受ける半導体受光素子と、を備える。ビームスプリッタは、第1のガラス部材と第2のガラス部材との間に挟まれた多層膜フィルタを有する。半導体受光素子は、主面及び裏面を有する半導体基板と、主面上に設けられた受光層を含む半導体積層部とを有する。半導体基板の裏面は、一方のガラス部材の表面に固定され、一方のガラス部材を介して多層膜フィルタと光学的に結合されている。半導体基板の裏面には、一方のガラス部材の屈折率と半導体基板の屈折率とを整合させる反射防止膜が設けられている。 In order to solve the above-described problems, an optical module according to an embodiment of the present invention includes a semiconductor laser element and an optically coupled semiconductor laser element, and converts laser light output from the semiconductor laser element into collimated light. And a first lens that is optically coupled to the first lens, collects collimated light and guides the collimated light to the optical waveguide, and is provided on an optical path between the first lens and the second lens. A beam splitter that branches a part of the light, and a semiconductor light receiving element that receives the collimated light branched by the beam splitter. The beam splitter has a multilayer filter sandwiched between a first glass member and a second glass member. The semiconductor light receiving element includes a semiconductor substrate having a main surface and a back surface, and a semiconductor stacked portion including a light receiving layer provided on the main surface. The back surface of the semiconductor substrate is fixed to the surface of one glass member, and is optically coupled to the multilayer filter through the one glass member. An antireflection film for matching the refractive index of one glass member with the refractive index of the semiconductor substrate is provided on the back surface of the semiconductor substrate.
本発明による光モジュールによれば、温度及び波長の変化に伴う半導体受光素子の受光層への入射光強度の変動を低減できる。 According to the optical module of the present invention, it is possible to reduce fluctuations in incident light intensity to the light receiving layer of the semiconductor light receiving element due to changes in temperature and wavelength.
本発明の実施形態に係る光モジュールの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。 Specific examples of the optical module according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to these illustrations, is shown by the claim, and intends that all the changes within the meaning and range equivalent to the claim are included. In the following description, the same reference numerals are given to the same elements in the description of the drawings, and redundant descriptions are omitted.
図1は、一実施形態に係る光モジュール1Aの内部構造を示す切欠斜視図である。図2は、光モジュール1Aの内部構造を概略的に示す平面図である。図1及び図2に示すように、光モジュール1Aは、直方体状の筐体2と、フランジを有し円柱状の光結合部3とを備える発光モジュール(TOSA;Transmitter Optical SubAssembly)である。また、光モジュール1Aの内部には、複数の半導体レーザ素子(LD)11a〜11d、複数の第1レンズ12a〜12d、ビームスプリッタ(BS)13、複数の半導体受光素子(フォトダイオード、PD)14a〜14d、及び合波光学系18が設けられている。一例では、光モジュール1Aは、4個のLD11a〜11dを備えた4チャネルの発光モジュールである。LD11a〜11d、第1レンズ12a〜12d、BS13、PD14a〜14d、及び合波光学系18は、筐体2の内部に設けられたベース部材7の平坦な主面上に配置されている。
FIG. 1 is a cutaway perspective view showing an internal structure of an
光モジュール1Aでは、光源として機能するLD11a〜11dが各々独立して駆動され、LD11a〜11dが個別にレーザ光L1a〜L1dを出力する。LD11a〜11dへの駆動信号は、光モジュール1Aの外部から提供される。レーザ光L1a〜L1dは、駆動信号に応じて変調される。LD11a〜11dは例えば分布帰還型(DFB)レーザである。レーザ光L1a〜L1dの各波長は例えば1.3μm帯であり、互いに異なる。第1レンズ12a〜12dは、それぞれLD11a〜11dと光学的に結合されている。LD11a〜11dから出力されたレーザ光L1a〜L1dは、それぞれ第1レンズ12a〜12dに入力する。各LD11a〜11dは、対応する第1レンズ12a〜12dの焦点に配置されている。第1レンズ12a〜12dは、発散光であるレーザ光L1a〜L1dをそれぞれコリメート光L2a〜L2dに変換する。
In the
なお、光源(LD11a〜11d)が理想的な点光源ではないので、第1レンズ12a〜12dを通過したレーザ光は、厳密にはコリメート光にはならない。すなわち、コリメート光L2a〜L2dは、ビームウェスト(光軸に沿ったフィールドパターンに生ずるくびれ)においてその光径が最小に絞られ、その後発散光に転ずる準コリメート光である。
Since the light sources (LD11a to 11d) are not ideal point light sources, the laser light that has passed through the
BS13は、第1レンズ12a〜12dの各光軸と交差する方向に延びており、第1レンズ12a〜12dと後述する第2レンズ4との間の光路上、より具体的には第1レンズ12a〜12dと合波光学系18との間の光路上に配置されている。BS13は、第1レンズ12a〜12dの各光軸に対して傾斜する誘電体多層膜を内部に有しており、この誘電体多層膜をコリメート光L2a〜L2dが通過する際に、コリメート光L2a〜L2dの各一部(例えばコリメート光L2a〜L2dの光量の5〜10%)を分岐する。PD14a〜14dは、BS13の表面上に実装され、分岐されたコリメート光L2a〜L2dの各一部を受光する。
The
合波光学系18は、BS13を介して第1レンズ12a〜12dと光学的に結合され、コリメート光L2a〜L2dを互いに合波する。本実施形態の合波光学系18は、第1WDMフィルタ15、第2WDMフィルタ16、ミラー17、及び偏波合成器19を含む。
The multiplexing
ミラー17は、BS13を介して第1レンズ12a,12bと光学的に結合されている。ミラー17の光反射面は、第1レンズ12a,12bの光軸上に位置し、これらの光軸に対して傾斜している。ミラー17は、コリメート光L2a,L2bをこれらの光軸と交差する方向へ向けて反射する。
The
第1WDMフィルタ15は、BS13を介して第1レンズ12cと光学的に結合されている。第1WDMフィルタ15の波長選択面は、第1レンズ12cの光軸上に位置し、該光軸に対して傾斜している。第1WDMフィルタ15は、第1レンズ12cからのコリメート光L2cを透過させるとともに、ミラー17によって反射されたコリメート光L2aを反射する。これにより、コリメート光L2a及びL2cの光路が互いに一致し、コリメート光L2a及びL2cが互いに合波されてコリメート光L3aとなる。
The
第2WDMフィルタ16は、BS13を介して第1レンズ12dと光学的に結合されている。第2WDMフィルタ16の波長選択面は、第1レンズ12dの光軸上に位置し、該光軸に対して傾斜している。第2WDMフィルタ16は、第1レンズ12dからのコリメート光L2dを透過させるとともに、ミラー17によって反射されたコリメート光L2bを反射する。これにより、コリメート光L2b及びL2dの光路が互いに一致し、コリメート光L2b及びL2dが互いに合波されてコリメート光L3bとなる。
The
偏波合成器19は、第1の面19a及び第2の面19bを有する板状の部材である。第1の面19aには反射防止膜19cおよび偏波フィルタ膜19dが形成され、第2の面19bには反射膜19e及び反射防止膜19fが形成されている。第1の面19aの反射防止膜19cには、コリメート光L3aが入力する。コリメート光L3aは偏波合成器19の内部を通過して第2の面19bの反射膜19eに達し、反射膜19eによって反射されたのち、第1の面19aの偏波フィルタ膜19dに達する。一方、第1の面19aの偏波フィルタ膜19dには、コリメート光L3bが入力する。コリメート光L3a,L3bのうち一方の偏光面が、図示しない半波長板によって90°回転されることにより、コリメート光L3aが偏波フィルタ膜19dにおいて反射され、コリメート光L3bが偏波フィルタ膜19dを透過する。その結果、コリメート光L3a及びL3bは互いに合波され、コリメート光L4となる。コリメート光L4は、第2の面19bの反射防止膜19fを通って偏波合成器19から出力され、筐体2の側壁2Aに設けられた窓2aを介して筐体2外に出力される。
The
光結合部3は、第2レンズ4と、ファイバスタブ6とを有する同軸モジュールである。第2レンズ4は、合波光学系18と光学的に結合され、更に、合波光学系18及びBS13を介して第1レンズ12a〜12dと光学的に結合される。ファイバスタブ6は、光ファイバ(光導波路)5を保持する。第2レンズ4は、コリメート光L4を集光して光ファイバ5の端面に導く。光結合部3は、コリメート光L4の光軸に対して調芯されたのち、筐体2の側壁2Aに溶接により固定される。光結合部3は、第2レンズ4及びファイバスタブ6に加えて、外部からの光を遮断する光アイソレータを更に有してもよい。
The
なお、本実施形態では、LD11a〜11d及びPD14a〜14dを含めた全ての部品に対して、温度調整は行われない。すなわち、光モジュール1Aは、LD11a〜11d、PD14a〜14d等の温度を電気的に制御するペルチェ素子といったTEC(Thermo-Electric Controller)を備えていない。4つの信号それぞれに割り当てられる波長帯域が比較的広い通信方式(例えばCWDM;Coarse Wavelength Division Multiplexing)では、温度変化により或るLDの発振波長がシフトしたとしても、該LDから出力される光信号と、他のLDから出力される光信号との識別は十分に可能である。従って、そのような通信方式においてTECを省くことにより、光モジュール1Aの製造コストを低減できる。
In the present embodiment, temperature adjustment is not performed for all components including the
図3は、上述した光モジュール1Aの部分的な構成を概略的に示す図である。なお、図3には、LD11、第1レンズ12、及びPD14が示されているが、これらは、それぞれLD11a〜11d、第1レンズ12a〜12d、及びPD14a〜14dに相当する。
FIG. 3 is a diagram schematically showing a partial configuration of the above-described optical module 1A. 3 shows the
図3に示すように、LD11から出力されたレーザ光L1(図2のレーザ光L1a〜L1dに相当)は、第1レンズ12においてコリメート光L2(図2のコリメート光L2a〜L2dに相当)に変換される。コリメート光L2は、BS13を通過したのち他のコリメート光と合波されてコリメート光L4となり、第2レンズ4において集光され、光ファイバ5の端面に入射する。また、コリメート光L2の一部はBS13において分岐される。分岐された一部のコリメート光L5は、BS13の表面上に実装されたPD14に裏面側から入射する。
As shown in FIG. 3, the laser light L1 output from the LD 11 (corresponding to the laser light L1a to L1d in FIG. 2) becomes collimated light L2 (corresponding to the collimated light L2a to L2d in FIG. 2) in the
BS13は、第1のガラス部材13a、第2のガラス部材13b、及び多層膜フィルタ13cを有する。ガラス部材13a及び13bは、例えばコリメート光L2の波長に対して透明なガラス材料(例えばBK−7)からなる。第1のガラス部材13aは、筐体2の底面に固定される下面13dと、コリメート光L2の光路に対して傾斜する斜面13fとを有する。第2のガラス部材13bは、PD14を搭載する表面13eと、コリメート光L2の光路に対して傾斜する斜面13gとを有する。第1のガラス部材13aの斜面13fと第2のガラス部材13bの斜面13gとは互いに対向して配置される。多層膜フィルタ13cは、斜面13fと斜面13gとの間に挟まれて固定される。多層膜フィルタ13cの積層数、屈折率及び厚さが、コリメート光L2の分岐比を決定する。なお、コリメート光L2の光路に対する斜面13f,13gの角度は、45°よりも僅かに大きい。これにより、コリメート光L2の光路に対して略平行に形成された表面13eへのコリメート光L5の入射角を0°より大きくすることができ、フレネル反射によるLD11への反射戻り光を低減できる。
The
PD14は、その裏面とBS13の表面13eとが互いに対向し、BS13上に実装されている。PD14は、多層膜フィルタ13cによって分岐されたコリメート光L5を、裏面において受ける。図4は、PD14付近の構成を詳細に示す断面図である。図4に示すように、PD14は、半導体基板21と、半導体基板21上に形成された半導体積層部22とを有する。半導体基板21は、例えばInP基板である。半導体基板21は、互いに対向する主面21a及び裏面21bを有する。半導体積層部22は主面21a上に形成されており、裏面21bはBS13の第2のガラス部材13bの表面13eと対向する。
The
半導体積層部22は、主面21a上に順にエピタキシャル成長した、第1コンタクト層23、受光層24、及び第2コンタクト層25を含む。本実施形態では、第1コンタクト層23は半導体基板21と接し、受光層24は第1コンタクト層23と接し、第2コンタクト層25は受光層24と接する。第1コンタクト層23、受光層24、及び第2コンタクト層25は、例えばInGaAsを主に含む。第1コンタクト層23はn型であり、n側電極26とオーミック接触している。受光層24はi型である。第2コンタクト層25はp型であり、p側電極27とオーミック接触している。半導体積層部22は絶縁膜28によって覆われており、n側電極26およびp側電極27は、絶縁膜28に形成された開口を介して、それぞれ第1コンタクト層23および第2コンタクト層25と接触している。n側電極26およびp側電極27は、図示しないボンディングワイヤを介して、筐体2内部に配置された配線基板と電気的に接続される。
The semiconductor stacked
なお、BS13上においてPD14をフリップチップボンディングにより実装することも考えられる。しかし、フリップチップボンディングはワイヤボンディングと比較してコスト面で不利である。ガラス製のBS13の表面に金属製の電極パターンを成膜する必要があるからである。また、本実施形態のように、PD14をコリメート光L2の平均光強度を検出する目的で配置する場合には、周波数特性を考慮したフリップチップボンディングを行う必要もない。従って、本実施形態では、PD14の裏面側をBS13に接着し、PD14の表面側に位置する電極26,27のワイヤボンディングを行う構成としている。それ故に、コリメート光L5はPD14の裏面に入射することとなる。
It is also conceivable to mount the
半導体基板21の裏面21bには、反射防止膜29が設けられている。反射防止膜29は、第2のガラス部材13bの屈折率と半導体基板21の屈折率とを整合させるための誘電体多層膜であって、例えばSiN膜である。
An
なお、第2コンタクト層25上に、PD14の表面から光を入射させる場合に有効となる反射防止膜が形成されてもよい。この反射防止膜は、本実施形態のようにPD14の裏面側から光を入射させる場合においても有効であり、受光層24を通過した光が再び受光層24に戻ることを抑制できる。
An antireflection film that is effective when light is incident from the surface of the
反射防止膜29と第2のガラス部材13bの表面13eとの間には、透明樹脂膜31が設けられている。半導体基板21の裏面21bは、この透明樹脂膜31を介して、第2のガラス部材13bの表面13eに固定されている。一例では、透明樹脂膜31は反射防止膜29と表面13eとの間に樹脂が充填されて成り、反射防止膜29と表面13eとの間には、透明樹脂膜31以外の物質及び空隙は介在しない。そして、半導体基板21の裏面21bは、透明樹脂膜31及び第2のガラス部材13bを介して多層膜フィルタ13c(図3参照)と光学的に結合される。透明樹脂膜31は、例えば紫外線硬化性の樹脂膜である。透明樹脂膜31の屈折率は、第2のガラス部材13bの屈折率(BK−7の場合、1.50)とほぼ等しい。
A
ここで、本実施形態の光モジュール1Aが解決する課題について説明する。図5は、比較例としての光学系100を模式的に示す図であって、レンズ102とレンズ104との間にレンズ103が設けられている。そして、LD101とレンズ102との距離はレンズ102の焦点位置よりも長く設定され、LD101から出力されたレーザ光Lは、レンズ102とレンズ103との間で一旦収束してビームウェストを形成し、レンズ103においてコリメートされる。BS113は、レンズ102とレンズ103との間に配置され、収束するレーザ光Lの一部を分岐してPD114に提供する。一部のレーザ光Lは、収束されつつPD114に入射する。
Here, problems to be solved by the
図5に示すような光学系ではレーザ光Lを伝搬するために3つのレンズ102〜104が必要であり、光モジュールの小型化および低コスト化のためにはレンズ数の削減が望まれる。そこで、図3に示すような2レンズ系が考えられる。すなわち、図5のレンズ103を取り除き、レンズ102がレーザ光Lをコリメート光に変換する構成である。図5に示された構成と比較して1つのLDにつき1つのレンズを削減することができるので、光モジュールの小型化および低コスト化に寄与できる。
In the optical system as shown in FIG. 5, three
ここで、2レンズ系の構成において、本発明者は次の課題を見出した。2レンズ型の構成においては、図5に示された構成とは異なり、コリメート光がPDに入射することとなる。その場合、PDの内部において多重反射が顕著に生じ、受光層に入射する光の強度に干渉の影響が生じてしまう。その結果、温度や波長が変動したときにPDの出力値に変動が生じることとなる。通常、光送信器などの光モジュールを備える装置においては、PDからの出力値に基づいてLDへの駆動電流の大きさを制御することにより、レーザ光の平均光強度を一定に制御する(Auto Power Control)。従って、このPDの出力値の変動は、レーザ光の平均光強度が変動する要因となる。 Here, in the configuration of the two lens system, the present inventor has found the following problem. In the two-lens configuration, the collimated light is incident on the PD, unlike the configuration shown in FIG. In that case, multiple reflections are remarkably generated inside the PD, and the influence of interference occurs on the intensity of light incident on the light receiving layer. As a result, when the temperature or wavelength varies, the output value of the PD varies. Usually, in an apparatus including an optical module such as an optical transmitter, the average light intensity of laser light is controlled to be constant by controlling the magnitude of the drive current to the LD based on the output value from the PD (Auto Power Control). Therefore, the fluctuation of the output value of the PD becomes a factor that fluctuates the average light intensity of the laser light.
本発明者は、その干渉に関して実験を行った。図6は、PDに入射するコリメート光の光強度を一定としたときのPDの出力値と波長及び温度との関係を示すグラフである。図6の横軸は光の波長を表し、縦軸はPDの出力値(相対値)を表す。図中のグラフG11〜G16は、それぞれPDの温度を25℃、40℃、50℃、60℃、70℃、及び80℃としたときのPDの出力値を示す。なお、この実験において用いられたPDは、半導体基板の裏面上に反射防止膜(透過特性が空気(屈折率1.0)に対して最適化されたもの、例えば特許文献1を参照)が設けられている。 The inventor conducted an experiment on the interference. FIG. 6 is a graph showing the relationship between the output value, wavelength, and temperature of the PD when the light intensity of the collimated light incident on the PD is constant. The horizontal axis in FIG. 6 represents the wavelength of light, and the vertical axis represents the output value (relative value) of the PD. Graphs G11 to G16 in the figure show PD output values when the PD temperature is 25 ° C, 40 ° C, 50 ° C, 60 ° C, 70 ° C, and 80 ° C, respectively. The PD used in this experiment is provided with an antireflection film (having a transmission characteristic optimized for air (refractive index 1.0), for example, see Patent Document 1) on the back surface of the semiconductor substrate. It has been.
図6を参照すると、PDの出力値が、波長の変化に応じて正弦波状に大きな振幅で(例えば0.6dB程度)変動すること、及び温度の変化に応じて上下に変動することが理解できる。このことは、PDの内部において多重反射による干渉が生じていることを示唆している。そして、図6に示される変動周期はおよそ1.3nmと見積られる。この変動周期と、InPの屈折率及びコリメート光の波長とに基づき、多重反射の端面間の間隔を算出したところ203.1μmとなり、PDの半導体基板の厚さ(200μm)とほぼ一致した。このことから、多重反射の一方の端面が、半導体基板とBSとの界面(若しくは半導体基板と透明樹脂膜との界面)であり、他方の端面が、半導体基板と半導体積層部との界面であることが推測される。 Referring to FIG. 6, it can be understood that the output value of the PD fluctuates in a sine wave with a large amplitude (for example, about 0.6 dB) according to a change in wavelength, and fluctuates up and down according to a change in temperature. . This suggests that interference due to multiple reflection occurs inside the PD. The fluctuation period shown in FIG. 6 is estimated to be about 1.3 nm. Based on this fluctuation period, the refractive index of InP, and the wavelength of collimated light, the distance between the end faces of multiple reflections was calculated to be 203.1 μm, which almost coincided with the thickness of the semiconductor substrate of PD (200 μm). Therefore, one end face of the multiple reflection is an interface between the semiconductor substrate and the BS (or an interface between the semiconductor substrate and the transparent resin film), and the other end face is an interface between the semiconductor substrate and the semiconductor stacked portion. I guess that.
半導体基板がInP基板である場合、半導体基板の屈折率は3.20となる。BSがガラスからなる場合、BSの屈折率は1.50となる。半導体積層部がInGaAsの場合、半導体積層部の屈折率は3.92である。このように、半導体基板とBSとの間、及び半導体基板と半導体積層部との間には、無視できない大きな屈折率差が存在する。このことから、上記の推測の確実性は極めて高いといえる。 When the semiconductor substrate is an InP substrate, the refractive index of the semiconductor substrate is 3.20. When the BS is made of glass, the refractive index of the BS is 1.50. When the semiconductor multilayer portion is InGaAs, the refractive index of the semiconductor multilayer portion is 3.92. Thus, there is a large refractive index difference that cannot be ignored between the semiconductor substrate and the BS and between the semiconductor substrate and the semiconductor stacked portion. From this, it can be said that the certainty of the above estimation is extremely high.
なお、図6に示された光学系では、レーザ光が収束されながらPDに入射している。この場合、レーザ光の内部においてPDへの入射角にばらつきがあるので、上記の干渉による問題が生じにくいと考えられる。 In the optical system shown in FIG. 6, the laser light is incident on the PD while being converged. In this case, since the incident angle to the PD varies within the laser beam, it is considered that the above-described problem due to interference does not easily occur.
上記の多重反射を低減する為には、半導体基板とBSとの界面、及び半導体基板と半導体積層部との界面のうち何れかの反射率を低減することが望ましい。しかし、半導体基板と半導体積層部との界面の反射率を低減するには半導体積層部の半導体材料を変更する必要があるが、所望の光電変換特性を得るためには半導体材料の変更は困難である。また、この界面が与える反射率は1.0%以下であり、比較的小さい。そこで、本発明者は、半導体基板とBSとの界面の反射率を低減することに着目した。 In order to reduce the multiple reflection, it is desirable to reduce the reflectivity of any of the interface between the semiconductor substrate and the BS and the interface between the semiconductor substrate and the semiconductor stacked portion. However, in order to reduce the reflectivity at the interface between the semiconductor substrate and the semiconductor stacked portion, it is necessary to change the semiconductor material of the semiconductor stacked portion, but it is difficult to change the semiconductor material in order to obtain desired photoelectric conversion characteristics. is there. Further, the reflectance given by this interface is 1.0% or less and is relatively small. Therefore, the present inventor has focused on reducing the reflectance at the interface between the semiconductor substrate and the BS.
すなわち、本実施形態では、PD14の半導体基板21の裏面21b上に、反射防止膜29が設けられている。この反射防止膜29は、半導体基板21と透明樹脂膜31(或いは、透明樹脂膜31と同じ屈折率を有するBS13の第2のガラス部材13b)との界面における反射を低減することに適した透過特性を備えている。
That is, in the present embodiment, the
図7は、透明樹脂膜31、反射防止膜29、半導体基板21、及び半導体積層部22による積層構造を模式的に示す図である。PD14に入射する波長1.30〜1.32μmのコリメート光L5は、例えば10°の入射角にて反射防止膜29に入射したのち、反射防止膜29及び半導体基板21を経て、半導体積層部22に達する。この構造において、仮に反射防止膜29が存在しない場合を計算すると、透明樹脂膜31から半導体積層部22への透過特性は図8(a)になる。図8(a)において、透過率の最大値は−0.343dBであり、透過率の最小値は−0.991dBであり、最大値と最小値との比は0.648dBであり、周期は1.35nmである。また、仮に反射防止膜29に代えて、対空気で最適化された反射防止膜(屈折率n=1.789、厚さd=0.183μm)が存在する場合を計算すると、透明樹脂膜31から半導体積層部22への透過特性は図8(b)に示す特性となる。図8(b)において、透過率の最大値は−0.045dBであり、透過率の最小値は−0.401dBであり、最大値と最小値との比は0.356dBであり、周期は1.35nmである。
FIG. 7 is a diagram schematically showing a laminated structure including the
反射防止膜がない場合には、波長の変化による透過率の変動が0.648dBといった極めて大きな値となるが、反射防止膜が設けられた場合であっても、空気に対して最適化されている場合には、波長の変化による透過率の変動が0.356dBといった大きな値となる。変動をゼロに近づける為には、反射防止膜29の屈折率nを2.191まで大きくするとよい。これにより無反射条件となり、干渉が生じなくなる。試算では、反射防止膜29の屈折率を2.07とすれば、干渉による透過率の変動を0.1dB以下に抑えることができる。更に、反射防止膜29の屈折率を2.14〜2.26とすれば、干渉による透過率の変動を0.05dB以下に抑えることができる。
When there is no antireflection film, the variation in transmittance due to the change in wavelength is as large as 0.648 dB. However, even when the antireflection film is provided, it is optimized for air. In such a case, the change in transmittance due to the change in wavelength is as large as 0.356 dB. In order to bring the fluctuation close to zero, the refractive index n of the
図9は、反射防止膜29の屈折率と、透明樹脂膜31から半導体積層部22への透過率の最大値と最小値との比との関係を見積もったグラフである。図9に示すように、この比を0.1dB以下とする為には、反射防止膜29の屈折率が2.07以上であることが好ましい。そして、反射防止膜29の屈折率が2.2まで増加すると、半導体基板21(InP)と透明樹脂膜31との間には反射界面が実質存在し得なくなり、透過光強度の変動は殆ど生じなくなる。
FIG. 9 is a graph in which the relationship between the refractive index of the
なお、反射防止膜29の厚さも透過率の変動に影響する。本発明者の計算によれば、透過率の最大値と最小値との比が0.1dBを下回る条件下では、反射防止膜29の厚さが0.15μm以上0.16μm以下である場合に、透過率の変動が実質的に生じなくなる。
Note that the thickness of the
反射防止膜29に関して上記の屈折率を実現するには、反射防止膜29がSiN膜であるとよい。SiNのSi含有量や厚さ等に依存するが、SiNの屈折率は1.6〜2.5程度の範囲の値を取り得るからである。なお、SiONの屈折率の上限は2.0程度であり、SiO2の屈折率の上限は1.45程度である。
In order to realize the above-described refractive index with respect to the
なお、例えばDWDM(Dense Wavelength Division Multiplexing)といった各LD間の波長間隔が短い方式に用いられる光モジュールでは、温度変化による各波長の変動を抑制するため、各LDを含む光学系をTEC上に搭載して温度を一定に制御する。本実施形態においても、TECによる温度制御が行われていれば、波長の変動及びPDの温度変化が抑制され、その結果、透過率の変動を回避できる。しかし、本実施形態の光モジュール1AはTECを備えていないので、上述した反射防止膜29を配置することが極めて効果的となる。
For example, in an optical module used in a system having a short wavelength interval between LDs such as DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), an optical system including each LD is mounted on the TEC in order to suppress fluctuation of each wavelength due to a temperature change. Thus, the temperature is controlled to be constant. Also in this embodiment, if the temperature control by TEC is performed, the fluctuation of the wavelength and the temperature change of the PD are suppressed, and as a result, the fluctuation of the transmittance can be avoided. However, since the
以上、本実施形態の光モジュール1Aによれば、温度及び波長の変化に伴うPDの受光層への入射光強度の変動を低減できる。従って、LDの平均発光強度を安定して制御することができる。また、光学系を2レンズ系にて構成することができ、更にTECを不要にできるので、光モジュール1Aを小型化でき、且つ低コスト化が可能となる。
As described above, according to the
本発明による光モジュールは、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態ではInP基板上にInGaAs積層部を有するフォトダイオードに反射防止膜を形成しているが、本発明では、他の様々な半導体材料のフォトダイオードに反射防止膜を形成してもよい。また、上記実施形態では反射防止膜と第2のガラス部材との間に透明樹脂膜が介在しているが、反射防止膜と第2のガラス部材とが直に接してもよい。 The optical module according to the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various other modifications are possible. For example, in the above embodiment, an antireflection film is formed on a photodiode having an InGaAs stacked portion on an InP substrate. However, in the present invention, an antireflection film may be formed on photodiodes of various other semiconductor materials. Good. In the above embodiment, the transparent resin film is interposed between the antireflection film and the second glass member, but the antireflection film and the second glass member may be in direct contact with each other.
1A…光モジュール、2…筐体、2A…側壁、2a…窓、3…光結合部、4…第2レンズ、5…光ファイバ、6…ファイバスタブ、7…ベース部材、11,11a〜11d…半導体レーザ素子(LD)、12,12a〜12d…第1レンズ、13…ビームスプリッタ(BS)、13a…第1のガラス部材、13b…第2のガラス部材、13c…多層膜フィルタ、14,14a〜14d…PD、15…第1WDMフィルタ、16…第2WDMフィルタ、17…ミラー、18…合波光学系、19…偏波合成器、21…半導体基板、22…半導体積層部、23…コンタクト層、24…受光層、25…コンタクト層、26…n側電極、27…p側電極、28…絶縁膜、29…反射防止膜、31…透明樹脂膜、100…光学系、101…LD、102〜104…レンズ、113…BS、114…PD、L1,L1a〜L1d…レーザ光、L2,L2a〜L2d…コリメート光、L3a,L3b…コリメート光、L4,L5…コリメート光。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記半導体レーザ素子と光学的に結合され、前記半導体レーザ素子から出力されたレーザ光をコリメート光に変換する第1レンズと、
前記第1レンズと光学的に結合され、前記コリメート光を集光して光導波路に導く第2レンズと、
前記第1レンズと前記第2レンズとの間の光路上に設けられ、前記コリメート光の一部を分岐するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにより分岐された前記コリメート光を受ける半導体受光素子と、
を備え、
前記ビームスプリッタは、第1のガラス部材と第2のガラス部材との間に挟まれた多層膜フィルタを有し、
前記半導体受光素子は、主面及び裏面を有する半導体基板と、前記主面上に設けられた受光層を含む半導体積層部とを有し、
前記半導体基板の前記裏面は、一方の前記ガラス部材の表面に固定され、前記一方のガラス部材を介して前記多層膜フィルタと光学的に結合され、
前記半導体基板の前記裏面には、前記一方のガラス部材の屈折率と前記半導体基板の屈折率とを整合させる反射防止膜が設けられている、光モジュール。 A semiconductor laser element;
A first lens optically coupled to the semiconductor laser element and converting laser light output from the semiconductor laser element into collimated light;
A second lens optically coupled to the first lens, condensing the collimated light and guiding it to an optical waveguide;
A beam splitter provided on an optical path between the first lens and the second lens and branching a part of the collimated light;
A semiconductor light receiving element that receives the collimated light branched by the beam splitter;
With
The beam splitter has a multilayer filter sandwiched between a first glass member and a second glass member,
The semiconductor light receiving element includes a semiconductor substrate having a main surface and a back surface, and a semiconductor stacked portion including a light receiving layer provided on the main surface,
The back surface of the semiconductor substrate is fixed to the surface of one of the glass members, and optically coupled to the multilayer filter through the one glass member,
An optical module, wherein an antireflection film for matching the refractive index of the one glass member and the refractive index of the semiconductor substrate is provided on the back surface of the semiconductor substrate.
前記半導体積層部の前記半導体基板に接する層はInGaAsを含む、請求項1に記載の光モジュール。 The semiconductor substrate is an InP substrate;
The optical module according to claim 1, wherein the layer in contact with the semiconductor substrate of the semiconductor stack includes InGaAs.
前記樹脂膜の屈折率が前記一方のガラス部材の屈折率と等しい、請求項1〜3のいずれか一項に記載の光モジュール。 A resin film provided between the antireflection film and the one glass member;
The optical module according to claim 1, wherein a refractive index of the resin film is equal to a refractive index of the one glass member.
前記複数の半導体レーザ素子とそれぞれ光学的に結合され、各半導体レーザ素子から出力された前記レーザ光をコリメート光に変換する複数の第1レンズと、
前記複数の第1レンズと光学的に結合され、複数の前記コリメート光を互いに合波する合波光学系と、
前記合波光学系と光学的に結合され、合波された前記コリメート光を集光して光導波路に導く第2レンズと、
前記複数の第1レンズと前記合波光学系との間の光路上に設けられ、各コリメート光の一部を分岐するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタにより分岐された各コリメート光を受ける複数の半導体受光素子と、
を備え、
前記ビームスプリッタは、第1のガラス部材と第2のガラス部材との間に挟まれた多層膜フィルタを有し、
各半導体受光素子は、主面及び裏面を有する半導体基板と、前記主面上に設けられた受光層を含む半導体積層部とを有し、
前記半導体基板の前記裏面は、一方の前記ガラス部材の表面に固定され、前記一方のガラス部材を介して前記多層膜フィルタと光学的に結合され、
前記半導体基板の前記裏面には、前記一方のガラス部材の屈折率と前記半導体基板の屈折率とを整合させる反射防止膜が設けられている、光モジュール。 A plurality of semiconductor laser elements that output laser beams of different wavelengths;
A plurality of first lenses that are optically coupled to the plurality of semiconductor laser elements and convert the laser light output from each semiconductor laser element into collimated light;
A multiplexing optical system optically coupled to the plurality of first lenses and configured to multiplex a plurality of the collimated lights with each other;
A second lens optically coupled to the multiplexing optical system, condensing the combined collimated light and guiding it to an optical waveguide;
A beam splitter provided on an optical path between the plurality of first lenses and the multiplexing optical system, and branching a part of each collimated light;
A plurality of semiconductor light receiving elements for receiving each collimated light branched by the beam splitter;
With
The beam splitter has a multilayer filter sandwiched between a first glass member and a second glass member,
Each semiconductor light receiving element includes a semiconductor substrate having a main surface and a back surface, and a semiconductor stacked portion including a light receiving layer provided on the main surface,
The back surface of the semiconductor substrate is fixed to the surface of one of the glass members, and optically coupled to the multilayer filter through the one glass member,
An optical module, wherein an antireflection film for matching the refractive index of the one glass member and the refractive index of the semiconductor substrate is provided on the back surface of the semiconductor substrate.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016205969A JP2018066888A (en) | 2016-10-20 | 2016-10-20 | Optical module |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016205969A JP2018066888A (en) | 2016-10-20 | 2016-10-20 | Optical module |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2018066888A true JP2018066888A (en) | 2018-04-26 |
Family
ID=62086154
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016205969A Pending JP2018066888A (en) | 2016-10-20 | 2016-10-20 | Optical module |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2018066888A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021245774A1 (en) * | 2020-06-02 | 2021-12-09 | 日本電信電話株式会社 | Optical monitor device |
Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006228917A (en) * | 2005-02-17 | 2006-08-31 | Sumitomo Electric Ind Ltd | InP-BASED LIGHT RECEIVING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME |
WO2008119363A1 (en) * | 2007-04-02 | 2008-10-09 | Pirelli & C. S.P.A. | External cavity laser module comprising a multi-functional optical element |
JP2011253987A (en) * | 2010-06-03 | 2011-12-15 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor photodetector and optical module |
JP2013148825A (en) * | 2012-01-23 | 2013-08-01 | Japan Oclaro Inc | Optical module |
CN103887708A (en) * | 2014-03-04 | 2014-06-25 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | Optical fiber coupling vertical-cavity surface emitting laser with power monitoring function |
WO2014122909A1 (en) * | 2013-02-06 | 2014-08-14 | 日本電気株式会社 | Light receiving device, optical space communication device, and optical space communication method |
JP2016178218A (en) * | 2015-03-20 | 2016-10-06 | 日本オクラロ株式会社 | Optical transmission module |
-
2016
- 2016-10-20 JP JP2016205969A patent/JP2018066888A/en active Pending
Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006228917A (en) * | 2005-02-17 | 2006-08-31 | Sumitomo Electric Ind Ltd | InP-BASED LIGHT RECEIVING DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME |
WO2008119363A1 (en) * | 2007-04-02 | 2008-10-09 | Pirelli & C. S.P.A. | External cavity laser module comprising a multi-functional optical element |
JP2011253987A (en) * | 2010-06-03 | 2011-12-15 | Mitsubishi Electric Corp | Semiconductor photodetector and optical module |
JP2013148825A (en) * | 2012-01-23 | 2013-08-01 | Japan Oclaro Inc | Optical module |
WO2014122909A1 (en) * | 2013-02-06 | 2014-08-14 | 日本電気株式会社 | Light receiving device, optical space communication device, and optical space communication method |
CN103887708A (en) * | 2014-03-04 | 2014-06-25 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | Optical fiber coupling vertical-cavity surface emitting laser with power monitoring function |
JP2016178218A (en) * | 2015-03-20 | 2016-10-06 | 日本オクラロ株式会社 | Optical transmission module |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2021245774A1 (en) * | 2020-06-02 | 2021-12-09 | 日本電信電話株式会社 | Optical monitor device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11329452B2 (en) | Silicon photonics based tunable laser | |
US8265486B2 (en) | Optical communication module | |
US20190033542A1 (en) | Optical transceiver | |
JP3745097B2 (en) | Optical device for wavelength monitoring and wavelength control | |
US20120127715A1 (en) | Laser module | |
US10365448B2 (en) | Optical module having two lens system and monitor photodiode between two lenses | |
CN106896447B (en) | Wavelength division multiplexed optical component with high density optical interconnect module | |
KR20110070305A (en) | Wavelength tunable light source | |
JP2002237651A (en) | Wavelength monitor device and semiconductor laser | |
KR20150019945A (en) | Optical receiver device with wavelength selective filter of wavelength tunable type | |
US9335495B2 (en) | Optical module | |
WO2011147380A2 (en) | Optical transmitter, photonic detector and passive optical network system | |
JP2009004525A (en) | Light source module | |
US20080049316A1 (en) | Wavelength locker | |
TWI667505B (en) | Optical couping module and light communication apparatus using the same | |
US20210036487A1 (en) | Tunable laser and optical module | |
JP2018066888A (en) | Optical module | |
KR20110114395A (en) | Bidirectional optical transceiver module for wavelength division mulitiplexing system | |
CN109991702B (en) | Optical assembly with dual lens system and photodiode for monitoring | |
US20210063653A1 (en) | Optical module and optical communication network system having the same | |
US8666207B2 (en) | System and method for coupling a multi-mode optical fiber to a single mode optical fiber | |
WO2011125460A1 (en) | Optical transmitter/receiver | |
JP2017135252A (en) | Light-emitting module | |
KR101322756B1 (en) | Device for optical wavelength selectable module | |
WO2023279644A1 (en) | Single-fiber bidirectional optical assembly |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20190821 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200630 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200721 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200918 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20201208 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20210608 |