JP3178384B2 - 受光素子モジュール - Google Patents

受光素子モジュール

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は受光素子モジュール
に関する。より詳細には、本発明は、半導体受光素子
と、この半導体受光素子の受光面に入射光を集光するた
めの光学部品とを備えた受光素子モジュールの新規な構
成に関する。
【0002】
【従来の技術】種々の光信号技術において、多くの信号
処理は、光信号を電気信号に変換した状態で行われる。
このため、各種の光技術分野において、受光素子の使用
は不可欠である。また、受光素子における変換で信号が
劣化しないようにすることは、常に技術課題となってい
る。そこで、主に感度を改善する目的で、半導体受光素
子と光学部品とを組合せ、入射光を半導体受光素子の受
光面に集光させるようにした受光素子モジュールが用い
られる。
【0003】図4は、この種の用途で用いられる受光素
子モジュールの典型的な構成を示す断面図である。
【0004】同図に示すように、この受光素子モジュー
ルは、入射ポートとなる光ファイバ11の出射端近傍に順
次配置された光学部品14aと、光学部品14aを介して入
射光を受光する半導体受光素子13とを組み合わせて構成
されている。
【0005】ここで、光学部品12としては、実際には球
状あるいは凸レンズ状の形状を有し、特定の焦点に向か
って入射光を収束させるものが使用されている。また、
半導体受光素子13は、光学部品14aの焦点付近に配置さ
れている。
【0006】図5は、やはり同じ目的で構成された受光
素子モジュールの他の構成を示す図である。
【0007】同図に示すように、この受光素子モジュー
ルは、半導体受光素子13と光学部品14aとが一体に構成
されている。即ち、この受光素子モジュールは、本来は
受光素子の基板である半導体基板21上に積層された(図
中では下側に順次積層されている)コンタクト層22、光
吸収層23およびコンタクト層24からなる半導体受光素子
と、その基板の裏面(図中では上面)を加工して形成さ
れた光学部品14aとから主に構成されている。ここで、
各コンタクト層22、24には、それぞれオーミック電極3
1、32が装荷されている。また、光吸収層23の側面は、
パッシベーション膜42により被覆されている。更に、光
学部品14aの表面は、反射防止膜41により覆われてい
る。このように構成された受光素子モジュールにおいて
も、半導体受光素子13の光吸収層23が、光学部品14aの
焦点付近に位置するように構成されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
受光素子モジュールにおいて、受光素子の受光面は光学
部品の焦点付近に位置するように構成されている。従っ
て、受光素子の受光面における光強度は中心に単一のピ
ークを有する分布を持つ。
【0009】ところで、半導体受光素子において、受光
面において上記のような光強度分布が生じるということ
は、受光面のほぼ中央付近に単一のピークを有する光励
起キャリアの分布が生じるということを意味する。一
方、半導体素子の光吸収層における正孔と電子との速度
差と、光吸収層の中心付近では横方向の電界が弱いとい
う理由から、電極への正孔の吸収が十分に行われない。
このため、強い空間電荷領域が形成され、特にアナログ
信号を処理する際に歪み成分が大きくなるという問題が
生じている。
【0010】そこで、本発明は、上記従来技術の問題点
を解決し、受光素子モジュールにおける感度を低下させ
ることなく出力歪を低減することができる新規な受光素
子モジュールを提供することをその目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明に従うと、入射光
を電気信号に変換する半導体受光素子と、該受光素子の
受光面に入射光を集光する光学部品とを備えた受光素子
モジュールにおいて、該光学部品が、該受光素子の受光
面における入射光の光強度分布が該受光面の周縁部にお
いてピークを持つように構成されていることを特徴とす
る受光素子モジュールが提供される。
【0012】
【発明の実施の形態】本発明に係る受光素子モジュール
は、その光学部品の光学特性に主要な特徴がある。
【0013】即ち、前述のように、従来の受光素子モジ
ュールにおいては、単純な焦点を有する光学部品を用い
て1点の焦点に入射光を収束させることにより受光感度
を改善していた。しかしながら、このために入射光強度
分布のピークが受光面の中央に位置することになり、歪
み成分が大きくなるという問題が生じていた。
【0014】これに対して、本発明に係る受光素子モジ
ュールでは、その構成要素である光学部品が、受光素子
の受光面における入射光の光強度分布が該受光面の周縁
部においてピークを持つように構成されている。従っ
て、発光素子の受光面の周縁部に入射光が収束され、正
孔の電極方向への平均的な移動距離が短縮されると共に
速度が早くなり、更に、空間電荷を低減させることがで
きる。従って、前述した正孔と電子との速度差並びに電
界強度の劣化に起因する歪みが抑制される。
【0015】尚、上記のような特性を有する光学部品
は、光学材料を機械加工する方法の他に、所謂フォトリ
ソグラフィ技術を応用した精密エッチングによっても製
造することができる。また、透明な基板上に特定のパタ
ーンで誘電体膜を堆積させることにより作製することも
できる。
【0016】以下、図面を参照してより具体的に本発明
を説明するが、以下の開示は本発明の一実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲を何等限定するものではない。
【0017】図1は、本発明に係る受光素子モジュール
の具体的な構成例を示す断面図である。尚、同図におい
て、図4に示した従来の受光素子モジュールと共通の構
成要素には共通の参照番号を付している。
【0018】同図に示すように、この受光素子モジュー
ルは、基本的には図4に示した従来の受光素子モジュー
ルと同じ構成を有しており、その光学部品12aの形状に
固有の特徴がある。即ち、ここで用いられている光学部
品12aは、中央部が薄く、周縁部に近い領域に最も厚い
領域があり、最縁部においてたたび薄くなるという特別
な形状を有している。このような形状を有する光学部品
12aでは、入射した光を環状の領域に収束させるという
特性を有している。従って、この入射光が収束する領域
が受光素子の受光面の周縁領域と一致するように相互の
位置決めを行うことにより所期の構成を実現することが
できる。
【0019】図2は、本発明に係る受光素子モジュール
の他の構成例を示す図であり、図5に示した従来の受光
素子モジュールに対応する基本構成を有している。尚、
この図においても、図5に示した従来の受光素子モジュ
ールと共通の構成要素には共通の参照番号を付してい
る。
【0020】ここでも、光学部品12bの形状に固有の特
徴がある。即ち、光学部品12bは、受光素子13の形成さ
れた基板21の裏面において、受光素子13の形成されてい
ない領域の裏面を薄化することにより形成されている
が、更に、光学部品12bの中央部は周囲より薄化されて
いる。従って、図1に示した受光素子モジュールの光学
部品と同様に、入射光は受光素子の受光面の周縁領域に
集光される。
【0021】〔作製例〕BK−7を機械加工により成形
した光学部品と、pin構造の受光素子とを組み合わせ
て図1に示した構造の受光素子モジュールを実際に作製
した。作製した光学部品の断面形状は、図7に示すよう
に、その下半分は直径1mmの円弧であり、光が入射する
側は上方に膨らんだ半径0.25mmの1対の円弧とそれに挟
まれた下方に膨らんだ半径 0.5mmの円弧を組み合わせ
た、中央の窪んだ形状となっており、光の入射方向の軸
を有する回転体である。また、比較のための、直径2mm
の球レンズを用いて従来型の受光素子モジュールも作製
した。この光学部品と受光素子の受光面との距離を調節
することにより、感度を1A/W以上に保ちながら、光
強度分布のピークが受光部の中央を避けるように集光す
ることができた。また、受光部の中央に入射光強度分布
のピークを有する従来の受光素子モジュールに比較する
と、受光面上での入射密度の最大値を25%以下に低減さ
せることができた。なお、受光面上での入射光密度の低
減は、相互変調2次歪みの低減に効果的である。また、
光強度分布のピークがレンズの回転軸および入射方向の
延長線上に存在しないので、受光素子表面から入射ポー
ト(光ファイバ)への反射減衰量が、−42dB未満と、従
来型のモジュールの場合の−36dB程度に比較して小さく
できるという効果も確認された。
【0022】両者に共通して用いた受光素子は、基板上
にp型コンタクト層としてp+ InGaAsP(5×1018c
m-3, 厚さ 0.3μm, λg = 1.2μm)を、光吸収層と
してi-InGaAs(non-doped、厚さ 3.0μm)を、n型コ
ンタクト層としてn+ InGaAsP(5×1018cm-3, 厚さ
0.3μm, λg = 1.2μm)をそれぞれ基板上に順次積
層して作製した。オーミック電極としては、p型コンタ
クト層上には合金化処理を行わないTi/Pt/Auを、n型
コンタクト層上には 450℃、60秒の条件で合金化処理し
たAuGe/Ni/Auをそれぞれ被着させた。また、メサ斜面
は、InP(non-dope)膜とSiN膜によりパッシベーショ
ンした。また、受光面には、厚さ0.18μmのSiN膜を反
射防止膜として被着させた。こうして得られた受光素子
の有効な受光面はほぼ円形で、直径は 100μmであっ
た。尚、何れの受光素子モジュールにおいても、入射ポ
ートとしてシングルモード光ファイバを用いた。
【0023】上記のような各受光素子モジュールについ
て、各受光素子の受光面における光強度分布を図3およ
び図6にそれぞれ示す。
【0024】同図に示すように、図6に示した従来の受
光素子モジュールでは、中央に単一のピークを有する光
強度分布が現れるのに対して、本発明に係る受光素子モ
ジュールでは、図3に示すように、中心と縁部との中間
にそれぞれピークが現れていることが判る。
【0025】上記のような光学特性を有する各受光素子
モジュールについて、平均入力パワー0dBm、逆バイア
ス電圧5Vから15Vの範囲で、本発明に係る受光素子モ
ジュールは、波長 1.3umおよび1.55umのレーザ光の何れ
に対しても 1.0A/W以上の感度を有していた。また、
周波数 244MHzおよび 250MHzの2トーン2レーザ法に
よる相互変調歪みの評価では、波長 1.3umおよび1.55um
のいずれに対しても2次歪みが−85dBc以下、3次歪み
が−90dBc以下といういずれも良好な特性が得られた。
【0026】これに対して、従来の構造を有する受光素
子モジュールでは、感度については実質的に同等であっ
たが、相互変調2次歪みが高く、波長 1.3umのレーザ光
に対して−70dBc以下、波長1.55umのレーザ光に対して
は−65dBc以下であった。
【0027】更に、図2および図5に示した構造の受光
素子モジュールもそれぞれ作製して両者を比較した。各
受光素子モジュールにおいて受光素子は上記の作製例と
同じものを使用し、まず、各受光素子の基板の裏面に円
形パターンのマスクを装荷した状態でBr+ メタノール溶
液によりエッチングを行った。その結果、基板の裏面に
は半球形の隆起が形成され、その結果、図5に示した従
来の構造の光素子モジュールが得られた。更に、作製し
た試料の一つには、上記円形マスクパターンの中央部に
ホールパターンを形成した後再びエッチングを行い、図
2に示した断面形状を有する光学部品を形成した。尚、
何れの場合も、エッチング後の基板裏面の表面には、反
射防止膜としての厚さ0.18umSiN膜を被着させた。
【0028】上記のようにして作製した各受光素子モジ
ュールについて、平均入力パワー0dBm、逆バイアス電
圧5Vから15Vの範囲で、本発明に係る受光素子モジュ
ールは、波長 1.3umおよび1.55umのレーザ光の何れに対
しても 1.0A/W以上の感度を有していた。また、周波
数 244MHzおよび 250MHzの2トーン2レーザ法による
相互変調歪みの評価では、波長 1.3umおよび1.55umのい
ずれに対しても2次歪みが−85dBc以下、3次歪みが−
90dBc以下といういずれも良好な特性が得られた。
【0029】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、部品点数を増加させることなく、また、一般的な
半導体受光素子を用いて、受光素子モジュールの出力信
号の歪み成分を低減させることができる。
【0030】このような出力の歪み成分の少ない受光素
子モジュールは、特にCATVシステムやONUシステ
ム等のアナログ光通信において極めて効果的に使用する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る受光素子モジュールの具体的な構
成例を示す断面図である。
【図2】本発明に係る受光素子モジュールの他の態様を
示す図である。
【図3】図1に示した受光素子モジュールの受光素子の
受光面における光強度分布を示すグラフである。
【図4】従来の受光素子モジュールの典型的な構成を模
式的に示す図である。
【図5】従来の受光素子モジュールの他の構成を示す図
である。
【図6】図4に示した受光素子モジュールの受光素子の
受光面における光強度分布を示すグラフである。
【図7】図1に示した受光素子モジュールの光学部品の
具体的な構成例を示す断面図である。
【符号の説明】
11・・・光ファイバ、 12a、12b、14a、14b・・・光学部品、 13・・・半導体受光素子、 21・・・半導体基板、 22・・・コンタクト層、 23・・・光吸収層、 24・・・コンタクト層、 31、32・・・オーミック電極、 41・・・反射防止膜、 42・・・パッシベーション膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 31/00 - 31/119 G02B 6/26 - 6/35 G02B 6/42 - 6/43 H01L 27/14 - 27/148

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入射光を電気信号に変換する半導体受光素
    子と、該受光素子の受光面に入射光を集光する光学部品
    とを備えた受光素子モジュールにおいて、 該光学部品が、該受光素子の受光面における入射光の光
    強度分布が該受光面の周縁部においてピークを持つよう
    に構成されていることを特徴とする受光素子モジュー
    ル。
  2. 【請求項2】請求項1に記載された受光素子モジュール
    において、前記光学部品が、中央部が薄く、周縁部に向
    かって厚さを漸増させた後、再び最縁部において薄くな
    る形状を有する光学材料により形成された光学レンズで
    あることを特徴とする受光素子モジュール。
  3. 【請求項3】請求項2に記載された受光素子モジュール
    において、前記光学部品が、光学材料に対して機械加工
    または化学的加工を行うことにより成形された光学レン
    ズであることを特徴とする受光素子モジュール。
  4. 【請求項4】請求項1に記載された受光素子モジュール
    において、前記半導体受光素子が、該半導体受光素子の
    基板の厚さ方向に入射した光を受光する半導体受光素子
    であり、前記光学部品が、前記半導体受光素子の半導体
    基板を加工して形成されたレンズであることを特徴とす
    る受光素子モジュール。
  5. 【請求項5】請求項4に記載された受光素子モジュール
    において、前記光学部品が、前記半導体受光素子の基板
    を裏面からエッチングすることによって作製された光学
    レンズであることを特徴とする受光素子モジュール。
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