JP3531456B2

JP3531456B2 - 受光素子モジュ−ル及びその製造方法

Info

Publication number: JP3531456B2
Application number: JP03411398A
Authority: JP
Inventors: 美樹工原; 康藤村
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1997-02-03
Filing date: 1998-01-29
Publication date: 2004-05-31
Anticipated expiration: 2018-01-29
Also published as: JPH10274728A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光通信や光計測に用
いられる受光素子と光ファイバを組み合わせたフォトダ
イオードモジュール（ＰＤモジュール）及びフォトダイ
オードモジュールの製造方法に関する。特に信号間の干
渉による歪みが小さく多数のアナログ信号を歪みなく受
信できる受光素子モジュールとその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ここで受光素子モジュールというのは受
光素子と光ファイバを組み合わせたものである。ファイ
バ、レンズ、ＰＤチップの３者の組み合わせにおいて、
チップの位置を、レンズによるファイバ端の像の位置よ
り軸線にそって前または後ろにずらすようにした提案は
いくつかある。特開昭６４−７９６２９号、特開平５ー
２２４１０１号などである。反射光レベルを下げるとか
効率を上げる歪みを下げるなどを目的としている。受光
素子はＰＤチップをパッケージに収容したものでＰＤチ
ップはｐｎ接合を有する半導体チップであって両面に電
極を持ち、光の入る方は環状の電極になっている。従来
例にかかる受光素子チップを図１によって説明する。
１．３μｍや１．５５μｍの長波長帯ではおもにＩｎＧ
ａＡｓを受光層としたｐｉｎ−ＰＤが用いられる。ｎ型
ＩｎＰ基板８１の上にｎ−ＩｎＰバッファ層８２、Ｉｎ
ＧａＡｓ受光層８３、ＩｎＰ窓層８４の順にエピタキシ
ャル成長を行ってエピタキシャルウエハーを作る。

【０００３】さらにＺｎの選択拡散によってｐ型領域８
５を作りｐｎ接合を作製する。パッシベーション膜８
８、反射防止膜８７およびｐ側電極８６、ｎ側電極９０
を形成する。ｐ側電極８６はリング状であって、その中
に光８９が入るようになっている。ｎ電極はｎ型ＩｎＰ
基板底面に一様についておりリング状でない。このよう
なＰＤチップはガラス窓のある金属製のパッケージに実
装されて受光素子となる。あるいは光ファイバや光コネ
クタと一体化されて光ファイバを伝搬した光強度を検出
できるようにする。光ファイバや光コネクタと一体化し
たものは受光素子モジュール（ＰＤモジュール）とい
う。細い光ファイバからでた光を検出するのであるから
光ファイバとチップの軸合わせが重要な問題になる。

【０００４】光ファイバと受光素子チップを組み合わせ
た受光素子モジュールの従来例を図２によって説明す
る。フォトダイオード１はパッケージ１２の上にサブマ
ウント１３を介して固定される。フォトダイオード１の
受光部をパッケージの中心に据え、光ファイバ１４の中
心もパッケージ中心線上にあるようにする。つまり全て
の光学部材が中心線上に並ぶように調芯される。パッケ
ージはその下にアノードピン１５、カソードピン１６、
ケースピン１７等を有する。

【０００５】パッケージ１２はさらに球レンズ２３を有
する円筒形キャップ２２が固定される。パッケージ１２
のヘッダの外周には円筒形のスリーブ１８を取り付け
る。スリーブ１８の上面には円筒形のフェルールホルダ
ー１９が固定される。これはファイバ１４の先端が挿入
されているフェルール２０を軸線上に保持するものであ
る。ベンドリミッタ２１は柔軟な部材で作られており光
ファイバ１４がフェルールの根元で過度に湾曲しないよ
うに保護している。

【０００６】ＰＤ（フォトダイオード）チップ１のｎ電
極（カソード）はケース１２から電気的に浮かす必要が
あるから絶縁物のサブマウント１３を間に挟んでいる。
ＡｌＮやアルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）製の長方形の板であ
る。表面と裏面は適当な金属膜を被覆してある（メタラ
イズという）。ＰＤチップ１はサブマウント１３の上に
ＰｂＳｎなどの半田によって固定される。サブマウント
１３の上面がカソードピン１６に金ワイヤによって接続
される。チップ１のｐ電極が金線によってアノードピン
１５に接続される。

【０００７】球レンズ２３は光ファイバから出た光を集
光してフォトダイオード（ＰＤ）１の受光面に高効率で
入射するようにする。光ファイバ端面で反射した光がレ
ーザに戻らないように光ファイバの端面は斜め研磨して
ある。これは８゜の斜面になるようにカットしてある。
傾斜角は様々である。光ファイバ、レンズ、ＰＤの中心
は同一直線上にある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように３つの部材
が同一軸線上にあるのは当然のように思えるが、実は多
数の周波数の違う信号間で相互干渉が起こり易いという
欠点があることが分かった。これは必ずしも理解しやす
くないことであるから詳しく述べる。従来例の難点がは
っきりするのが光ＣＡＴＶであるからその場合の動作を
説明しよう。光ＣＡＴＶ受信機の受光部に受光素子モジ
ュールを使うとき周波数間に相互干渉があると信号が歪
む。ためにチャンネル数が著しく制限されてしまう。光
ＣＡＴＶではアナログ電気信号をレーザ、発光ダイオー
ドによって光アナログ信号に変換しこれを光ファイバ中
に伝送するようになっている。周波数の異なる複数の信
号が一つの光ファイバを伝搬し一つの受光素子によって
光電変換される。

【０００９】一つの周波数を持つ単位をチャンネルとい
う。多数のチャンネルからの信号を通し受信機ではその
内の任意の一つを選んで受信し再生する。アナログ信号
を伝送するので線形性の良い受信機によって光電変換し
なければならない。線形性がよいというのは光のエネル
ギーと変換後の電気エネルギーが比例するということで
ある。もしも光エネルギーの二乗に比例するなど非線形
の部分があると、異なる周波数のふたつの信号が干渉す
る。つまり差周波数（ビート）や和周波数の信号成分が
新たに生じて受光素子出力に含まれるようになる。これ
を歪みという。

【００１０】歪みは２次以上ならどの次数でも発生する
非線形現象である。その中でももっとも大きく測定容易
なのが２次の歪みである。だから二次相互変調歪みＩＭ
Ｄ₂によって受光素子を評価する。二次歪みであるから
入力信号の強度に比例する。入力信号を弱くすると二次
歪みは小さくなるが信号強度が低いと信号自体が弱くな
るのでノイズに信号が埋まってしまい綺麗な映像を再生
することができない。従来の受光素子モジュールでは信
号強度を犠牲にしないで歪を下げることは困難であっ
た。

【００１１】これを改善するために、本発明者はかつて
球レンズの収差を積極的に利用した集光方法により歪を
下げることのできる受光素子モジュールを提案した。特
願平６−１７１８７３号「アナログＰＤモジュール及び
その製造方法」である。受光素子モジュールの概念図を
図３に示す。フォトダイオード１、球レンズ３、斜め研
磨光ファイバ５が同一直線上に並んでいる。部材点数や
その構造は従来のものと異ならない。しかしレンズと光
ファイバ端面の距離Ｚを変化させることによって、感度
を下げず歪を下げることができることに初めて気づいた
ものである。感度と歪の距離依存性が異なることに気づ
き、距離依存性の相違に基づいて感度を犠牲にせず歪を
下げる配置を初めて提案した。

【００１２】図４は本発明者が測定した受光素子モジュ
ールの感度（交流感度ＲＡＣ（Ａ／Ｗ））、ＩＭＤ₂
（ｄＢｃ）のレンズ・ファイバ端面間距離Ｚ依存性のグ
ラフである。歪は破線により感度は実線によって示す。
歪についてＺ＝１．２ｍｍで最大になる。従来はこれよ
りＺが大きい領域だけが注目されていた。二次歪は−７
５ｄＢｃより小さいことが要求されていた。そこで従来
は、光ファイバをレンズから遠くへ離して歪が−７５ｄ
ＢｃになるＺ＝１．６ｍｍの辺りに設定されていた。し
かしこれは最大感度領域をはずれており信号強度を犠牲
にしてＩＭＤ₂ を下げている。信号が弱いのでやはり多
数のチャンネルを伝送し受信するのは難がある。

【００１３】本発明者は感度を損なわず歪だけを下げる
可能性について検討を重ねた。すると歪曲線が、Ｚの小
さい範囲で感度よりも速く減少する部分があることに気
づいた。Ｚが小さい範囲で−７５ｄＢｃになる点がＺ＝
０．８ｍｍ〜０．９ｍｍに存在する。先ほどのＺ＝１．
６ｍｍと異なりここは感度最大である。そこで光ファイ
バ・レンズ間距離をＺ＝０．８〜０．９ｍｍにし、感度
と歪の両方の要求を満足させた受光素子モジュールを与
えたのである。

【００１４】感度最大の領域が０．８〜１．３ｍｍに広
がっているのは次の理由による。ＰＤチップのｐ電極が
囲む受光面の直径Ｗは、１００μｍ〜２００μｍでかな
り広い。光ファイバから出た光をレンズによって絞ると
これよりずっと小さい直径になる。ＰＤとレンズの距離
は不変であっても、光ファイバの位置をＺ軸方向に動か
すとＰＤでの光の直径は変動する。最小直径を与えるＺ
のところにファイバを固定すると最大感度になる。しか
しそれだけでなくこれの前後に光ファイバを動かしても
光の直径Ｕが受光面直径よりも小さい限り（Ｕ≦Ｗ）全
ての光がＰＤに吸収されるから最大感度を与える。その
ために最大感度領域が０．８〜１．３ｍｍに広がるので
ある。

【００１５】それでは歪と感度の距離依存性が合致しな
いのはどうしてか？二次歪みは最大感度点の中心Ｚ₀
（１．１ｍｍ）で最大にならずそれよりも前（１．２ｍ
ｍ）で最大になっている。前記の発明はこの非対称性に
気づいてこれを利用して感度と歪の要求の両方を巧妙に
満足させたものである。ではどうして非対称なのか？レ
ンズに収差がないとすると結像点に関して光の輪の広が
りは前後に対称である。すると光ファイバの光が丁度結
像する点から前後にずれても歪も対称であるべきであ
る。

【００１６】ところがレンズというものはかならず収差
がありとりわけ球レンズは収差が大きい。遠軸光は速く
収束し近軸光は遅く収束する。近軸光が軸線を切る位置
をガウス像面という。遠軸光はそれよりも先に軸線を横
切っている。光ファイバ・レンズ間距離Ｚと、レンズか
ら像までの距離Ｙはレンズの公式によって表される相補
的関係がありＺが大きいとＹは小さい。歪が最大になる
のは受光面にガウス像面が合致する時であると本発明者
は考える。このとき光が最も著しく一点に集中するから
である。ｐｎ接合のある一部だけに光が集中するから２
次、３次の効果が現れ、これが異なる周波数の相互干渉
を惹起し歪みを増幅するのである。

【００１７】それより僅かに光ファイバを外側へ移動さ
せると光束が拡散するばかりであるから感度が減衰し始
める。反対に受光面にガウス像面が合致した時から光フ
ァイバをレンズ側に移動させると遠軸光の収束点が受光
面に合致するようになり感度は落ちない。さらに光ファ
イバをレンズ側に平行移動して初めて光束直径Ｕが受光
面直径Ｗを越えるようになる。そのような理由で感度と
歪みが非対称になるのであろう。このようにして本発明
者は歪みを−７５ｄＢｃ以下にし感度も保持できるよう
な光ファイバ・レンズの配置を初めて発見した。これも
レンズ、ＰＤ、光ファイバの３部材は軸線上にある。つ
まり、３部材ともにＺ軸上にあるのである。光ファイバ
から出た光の像が受光面にできず受光面の背後にでき
る。焦点を外した位置に受光素子を置くのであるからこ
れは簡単にはデフォーカス法と呼ぶ事ができるかも知れ
ない。

【００１８】光ＣＡＴＶでは当初は数チャンネル（Ｃ
Ｈ）の伝送で十分であったが、現在では４０ＣＨが標準
になっている。また最近ではさらに８０ＣＨ〜１１０Ｃ
Ｈを伝送できるシステムに対する需要が出てきている。
チャンネル数に対する要求はきびしくなる一方である。
このような多チャンネル化に伴って受信機の受信周波数
帯域も４５０ＭＨｚであったものが、８６０ＭＨｚも必
要になってきた。帯域はほぼ倍増させなければならな
い。さらに多くの家庭に信号を送らなければならないか
ら、発光量の大きいレーザ（ＬＤ）光源を用いるように
なってきた。大出力のレーザを光源にするから１ｍＷ以
上の大信号光がＰＤに入射することもある。チャンネル
数が多いほど歪みの影響は大きく、信号光が強いほど歪
みが大きくなる。多チャンネル、高出力化によって従来
以上に歪み特性を改善する必要が強く感じられるように
なってきた。特性改善のみでなく低価格で受光素子モジ
ュールを提供する必要もある。そのために安定で低歪み
高感度の受光素子モジュールを作製することが急務とな
ってきた。

【００１９】大信号に対しても歪みの少ない受光素子モ
ジュールを提供することが本発明の第１の目的である。
感度を犠牲にする事なく低歪みの受光素子モジュールを
提供することが本発明の第２の目的である。歪みの小さ
い受光素子モジュールを低コストで製造する方法を提供
することが第３の目的である。歩留まり良く低歪み受光
素子モジュールを製造する方法を提供する事が本発明の
第４の目的である。

【００２０】

【課題を解決するための手段】光ファイバの軸線を伝搬
した軸光線が光ファイバ先端の傾斜角θのために軸線と
αをなす角度で光ファイバ端Ｑを出る場合その傾斜光線
αの延長線上にレンズ中心Ｈと受光素子中心Ｏを並べた
ものが本発明の受光素子モジュールである。また受光素
子はレンズによる光ファイバ端のガウス像面よりもレン
ズに近い位置に置く。少なくともファイバからの傾斜光
線とＨＯは平行であるようにする。ＱＨは調芯によって
決まるから必ずしも傾斜光線αと平行にならないが、理
想的にはαとＱＨも平行であるべきである。受光素子中
心Ｏレンズ中心Ｈを軸線上に据えるならば、レンズ中心
Ｈと光ファイバ距離をＬｆとし、レンズ中心と受光素子
中心との距離をＬとすると、受光素子中心はパッケージ
中心よりある方向（−Ｘ方向とする）に−Ｌｔａｎαだ
けずれる。光ファイバ中心はパッケージ中心より反対方
向（＋Ｘ方向）にＬｆｔａｎαに近い値だけずれる。さ
らに光ファイバの研磨面のうち最下点ＳがＺ軸に最も近
いように光ファイバの回転角度を決める。

【００２１】以上が本発明の原理であるが実際にはＬと
Ｌｆは非対称である。Ｌはキャップの高さなどから予め
決まる定数である。Ｌｆは歪みを小さくし感度を最大に
する調芯作業によって個々の素子毎に決まる。Ｌとθが
既知であるとき上記のようにレンズ中心に対する受光素
子中心の軸直角方向の位置を決めることによって歪みを
最小にすることができる。本発明では光ファイバも受光
素子も軸線から外れるようにする。さきほど説明した本
発明者の改良をデフォーカスというのに対して、これは
仮にオフアクシスと呼ぶことにしよう。だから本発明は
両者を兼ね備えたデフォーカス＋オフアクシスなのであ
る。特に新規な主張はオフアクシスにある。ファイバ端
からでる光線上にレンズ中心Ｈと受光素子中心Ｏを並べ
るということである。デフォーカスについては前記の先
願によって説明した。だからここではどうして光ファイ
バや受光素子を側方へずらせば（オフアクシス）歪みが
改良されるのか？これについて説明しよう。

【００２２】本発明者はさきほど述べた先願の手法に従
って光ファイバを焦点位置よりレンズに近づけたデフォ
ーカスのアナログＰＤモジュールを多数作製した。その
製造の過程で奇妙なことに気づいた。製造条件のバラツ
キのためか、標準より歪み特性の良いモジュールとより
悪いモジュールができるのである。歪み特性のバラツキ
は何に由来するのか？図４でレンズ・ファイバ間距離Ｚ
によって歪みを特定しているがそれ以外にも歪みに影響
するパラメータが存在するのであろうか？

【００２３】そこで、歪みの大きいモジュールや小さい
モジュールを分解して調査した。すると思いがけない事
実が分かった。歪み特性の良いモジュールは図５のよう
に光ファイバ中心Ｑがレンズ中心Ｈを通る軸線（Ｚ軸）
からずれ、受光素子チップ中心Ｏも軸線から反対側にず
れている。しかも光ファイバの最下点Ｓが軸線に最近接
している。光ファイバの斜め研磨面の長円方向の直径を
ＳＴとしＳが最下点、Ｔが最上点である。点Ｔ、Ｑ、
Ｓ、Ｈ、ＯはＺ軸を含む同一面内に存在し点Ｑ、Ｈ、Ｏ
はほぼ同一直線上にならんでいる。デフォーカスによる
調芯であるから、図３のように本来はＱ、Ｏ点ともにＺ
軸の上にあるべきだが製造誤差があって軸からずれるこ
とがある。その場合であっても歪みが小さく感度の良い
ことがあってそれが図５の場合である。光ファイバの中
心軸線に沿う光線は点ＱをでてＳの側に屈折しＺ軸とα
の角度をなして進みレンズ中心Ｈを通り素子１の中心Ｏ
に入る。光線ＱＨＯがほぼ直線である。

【００２４】斜めカットの角度θと光線の軸に対する傾
き角αの関係は、図９によって与える。ファイバ軸線を
進む光線ＲＱは斜め面ＴＳでＳの側に屈折し、ＲＱＭと
いう軌跡を描く。面ＴＳの直角からのズレはθである。
面ＴＳに立てた法線をＱｎとする。スネル法則よりｎ₀ ｓｉｎ（α＋θ）＝ｎ₁ ｓｉｎθ （１）がなりたつ。ｎ₀ は空気屈折率、ｎ₁ はファイバコア屈
折率である。ここからαは α＝ｓｉｎ^-1｛（ｎ₁ ｓｉｎθ）／ｎ₀ ｝−θ （２）となる。θがきまるとαが決まる。

【００２５】図６は反対に歪みが大きい場合の配置であ
る。光ファイバの中心ＱがＺ軸からずれ、素子中心Ｏも
Ｚ軸から反対方向にずれる。レンズ中心ＨはＺ軸上にあ
る。ファイバ切断面の最上点ＴがＺ軸に接近している。
図５の場合と光ファイバ切断面の向きが反対になってい
る。光ファイバ中心Ｑ、レンズ中心Ｈ、チップ中心Ｏは
ほぼ同一直線上にある。しかし光ファイバ中心線をたど
る光は斜め切断面のＳ側に屈折するからＺ軸から外側に
αの角度をなして進みレンズの外殻部に入射する。レン
ズによって強く屈折しＰＤの中心Ｏに入る。Ｑの像が受
光素子中心Ｏにできるという点では同じであるが光ファ
イバの向きが反対であるからビームの光路が大きく異な
る。幾何光学的な考察に従えば何れであっても光量は同
じであるし、歪みにも影響があろうとは思えない。

【００２６】本発明者はどうしてこのような非対称の現
象が起こるのかを考えてみた。歪み特性が光軸に関して
対称でないとすれば、それは非対称要素を含む部品が原
因であるに違いない。球レンズ、受光素子チップともに
対称性がある。だから原因は光ファイバにあるはずであ
る。光ファイバは先端を４゜〜１０゜程度斜めに研磨し
て反射戻り光が光源に戻らないように工夫をしている。
研磨面の向きが歪み特性に影響しているらしい。研磨面
の向きが違えば図５と図６に対比して示すように、光線
の軌跡が大きく異なる。幾何光学的には光ファイバの向
きに拘らずＱの像はＯ点にできる。光ファイバ端Ｑから
出た光はレンズを通り受光素子チップ中心Ｏに結像す
る。しかし実際には光線は一本ではない。Ｑ点から円錐
形に光がでる。光円錐の頂角γはファイバのコア屈折率
とクラッド屈折率による。

【００２７】レンズに収差がないと円錐形にそって出た
光は全てチップ中心Ｏに収束するはずである。しかし実
はレンズには収差がある。球レンズのような場合とくに
収差が著しい。近軸光は遅く収束し（ガウス像面）遠軸
光は速く収束する。従ってレンズのどこを通るかによっ
て光線の軸線上での収束点が異なる。それは図５と図６
の場合で相違する。図５の場合はチップに対して光線が
直角近くで入射する。だからＯ点に関してほぼ対称の光
線分布になる。円錐に含まれる光線がチップ面でほぼ一
様分布で入射する。

【００２８】ところが図６の場合レンズの外側から光線
がチップにあたる。だから面に対してより斜めに入射す
ることになる。斜めに入射するので受光面での光線密度
がＯ点の前後で大いに異なる。密度の揺らぎは感度には
あまり影響しないが歪みには強く影響する。入射線が傾
く事によって光線密度が大いにゆらぐ。あるところでは
光線密度が高く、その他のところでは密度が低い。不均
一性が著しい。そのために図６の配置では相互干渉が増
えて歪みが増えるのではなかろうか？

【００２９】本発明者はそのような仮説を立てた。仮説
を確かめるために光線追跡法によるシミュレーションを
行った。つまり光ファイバの端部Ｑから円錐内部に立体
角に対し等密度で多数本の光線が出射されたとしその光
線の一本一本を幾何光学的に追跡する。ひとつひとつの
光線をレンズによって屈折させ、これがチップに入射す
る点を求める。光線を一つずつ追跡するから光線追跡と
いう。レンズでの屈折は幾何光学によって扱えるから簡
単に計算できる。チップでの入射点を点によって表した
ものが図７と図８である。これらは、実験結果ではなく
て計算結果である。実際にこのように光点が素子に入る
のが観測されるわけではない。

【００３０】チップ中心ＯのＺ軸からのズレをＸとし、
光ファイバ中心ＱのＺ軸からのズレをＷとする。ＸとＷ
の正負を次のように決めておく。図６のようにファイバ
端面ＳＴの最下端点ＳがＺ軸より遠いときにＷが負、Ｘ
が正とする。３点Ｑ、Ｈ、Ｏは直線上にあるようにする
ので、ＷはＸと符号が反対になる。図５ではＳがＺ軸に
近いのでＷは正、Ｘは負である。図６では左向きにＸ軸
があり、図５では右向きにＸ軸が定義される。以下に図
５から図８を用い、本発明の具体的な数値を挙げて光学
系を説明する。ここでレンズは全て共通で、直径１．５
ｍｍ、屈折率１．５の球レンズである。この時近軸光線
に対するレンズの焦点距離は１．１２ｍｍである。従っ
て、以下に示す例でＬｆ＝１８５０μｍ、１６５０μｍ
の時のガウス像面はそれぞれレンズから３０００μｍ、
３５００μｍの位置に来る。受光素子の受光面のレンズ
からの距離をＬ＝２０００〜２１００μｍとすると、受
光素子がガウス像面より１０００μｍ〜１４００μｍも
レンズ側に接近した位置にある。つまり受光素子がデフ
ォーカス位置にある。本発明はデフォーカスでありかつ
軸垂直方向（オフアクシス）にも受光素子と発光素子を
ずらせる。だから本発明はデフォーカス且つオフアクシ
スなのである。

【００３１】図５の配置でファイバずれＷ＝１２０μ
ｍ、チップズレＸ＝−１４０μｍ、レンズ中心Ｈとファ
イバ端Ｑのｚ方向距離Ｌｆ＝１８５０μｍ、レンズ中心
とチップの距離Ｌ＝２１００μｍ、α＝３．７゜、θ＝
８゜である。図５の配置での近軸光線の入射点の分布が
図７である。図７の横軸がＸ軸で縦軸がＹ軸である。い
ずれもＺ軸に直交する。円Ｃは受光素子の受光面の広が
りである。点は一つの光線の素子入射点を示す。光線入
射点をしめす点が受光面に均一に分布している。図７の
横軸がＸ軸であるが＋Ｘでも−Ｘでも点の分布は殆ど同
じである。同じ事は＋Ｙ軸方向と−Ｙ軸方向でも言え
る。つまりｘｙ面において等方的に光点が分布してい
る。特に高密度の領域がない。一様分布近い。

【００３２】図５のように素直に光線が素子に入ってい
るのであるからこれは当然だと思ってはいけない。まっ
たく反対である。もしもレンズに収差がなくて受光素子
がファイバ端点Ｑの結像点にあるとすればどのような方
向に出た光線もＯ点に収束するはずである。何千本の光
線について追跡してもどれもＯ点に集中するはずであ
る。そのように光線が一点集中する時もっとも干渉が大
きく歪みが大きくなる。だから収差のないレンズでは感
度最大のところで歪みも最大になりしかもｚに関し前後
方向に対称になる。無収差レンズでは感度を大きく歪み
を少なくというような事は難しい。

【００３３】してみれば図４の感度、歪みの非対称は収
差が大きいから生ずるのである。収差のあるレンズであ
って結像点より前にファイバを置いているからＱのガウ
ス像面は素子の受光面より背後にできている。受光面に
結像点が合致していない。そのためにＱ点から出た光線
が素子面でことほどさように散らばるのである。このよ
うに光点が一様分布すると干渉が少なくなり歪みも小さ
くなる。しかも光点のほとんどが受光円Ｃの内部にある
ので感度も良好である。殆ど全ての光が分散して受光面
に入るから感度は良くて歪みは少ない。

【００３４】収差のあるレンズをつかって焦点から外れ
た位置に素子を置いているからこのようなトリックが可
能になる。それでは収差のあるレンズを使い結像点を素
子面より後ろに追いやればいいのかというとそうではな
い。そう単純ではないのである。素子の取り付け位置、
ファイバの位置が軸線から外れることもありその場合あ
る時は歪みを増やしある時は歪みを減らすからである。

【００３５】図８が図６のような遠軸光がつくる入射点
分布を示す。ファイバはチップと反対側にずれる。ずれ
の面をｘｚ面とする。つまりファイバもチップも符号を
含めｘ方向にずれるとする。図６のパラメータはファイ
バズレＷ＝−１６０μｍ、チップずれＸ＝＋１４０μ
ｍ、Ｌｆ＝１６５０μｍ、Ｌ＝２１００μｍ、α＝３．
７゜、θ＝８゜の例である。殆ど全部の光線が受光面円
Ｃに入る。しかし密度が偏る。ｘ＝−ｃ（Ｊ）の近くの
三日月形領域ＧＪＥＦは空白になっておりここには光線
が到達しない。ところが曲線ＥＦＧのすぐ内側ＥＦＧＫ
ＯＮは高密度の光点が存在する。この高密度光点が歪み
を増大させる。高密度の分布が中心Ｏの左側に偏りＯ点
もすぐ右側は低密度の領域になっている。

【００３６】光点が一様分布にならず過密部分があり、
これが異なる周波数間の干渉を引き起こし歪みを増加さ
せる。光点の殆ど全てが受光円Ｃに含まれるから感度は
高いのであるが光点分布が一様でなく、過密の部分があ
ってこれがために歪みが増加するのである。受光円Ｃに
光点が入っている限り感度が高い。歪みは過密箇所があ
ると増加する。過密箇所がどうできるか？というのは簡
単には分からない。

【００３７】図３のように光ファイバもチップもＺ軸か
らずれていない場合は光点ばらつきが図７と図８の中間
的なものになる。であるから図７の場合は軸線上にある
図３の場合よりも歪みが小さく、図８の場合は図３の場
合より歪みが大きくなるのである。図７の場合は球レン
ズの収差を利用し光点を受光面Ｃの全体に拡散している
から、単位面積当たりの光パワーは小さくなり歪みが減
る。

【００３８】これは図５、図６、図３のように３つの典
型的な場合の比較であるが、より詳しく軸ズレと歪みの
関係を調べた。パラメータはチップ中心ＯのＺ軸からの
ずれＸである。３点Ｑ、Ｈ、Ｏがほぼ直線上にならぶよ
うな拘束条件を課し、しかも感度がいずれも１．３μｍ
光に対し０．９Ａ／ＷになるようにＬｆ、Ｌを調節して
いる。いずれもガウス像面がチップ上になくチップ面よ
り遠くにある。前記の本発明者の先願の思想（デフォー
カス）にそうものである。であるからＸだけを変えてい
るのではなくＬ、Ｌｆ、Ｗも変わっている。光ファイバ
は１．３μｍ〜１．５５μｍに対して使われるシングル
モードファイバであり研磨角θは８゜である、ｎ₁ ＝
１．５として、出射角αは３．７゜である。

【００３９】チップずれＸを変えて歪みＩＭＤ₂ を測定
した結果を図１０に示す。但し光ファイバ端面の最下点
ＳがＺ軸から離れ最上点ＴがＺ軸に接近している場合の
Ｘを正と定義する。図６の場合のＸは正、図５の場合の
Ｘは負である。つまりベクトルＳＴのｘｙ面への正射影
の方向が＋ｘ方向とする。

【００４０】Ｘ＝−１４０μｍで歪み最小値−８６ｄＢ
ｃを取るがこれは図５の配置（Ｗ＝１２０μｍ、Ｌｆ＝
１８５０μｍ、Ｌ＝２１００μｍ）である。Ｘが−１５
０μｍ〜−１００μｍで−８５ｄＢｃ以下である。

【００４１】Ｘ＝０μｍは図３のような軸ズレのない場
合である。ＩＭＤ₂ は−７９ｄＢｃである。Ｘ＝−２０
０μｍ〜＋５０μｍで歪みは−７５ｄＢｃ以下である。
歪みの要求値が従来通り−７５ｄＢｃならこの範囲で良
いということになる。Ｘが正になると歪みは急激に増加
する。Ｘ＝＋１４０μｍの位置が図６の場合（Ｗ＝−１
６０μｍ、Ｌｆ＝１６５０μｍ、Ｌ＝２１００μｍ）で
ある。歪みは−５９ｄＢｃである。

【００４２】

【発明の実施の形態】本発明を実施するためにはチップ
のパッケージの上に置くときから注意が必要である。最
も簡単にはチップをパッケージ中心Ｐから−Ｌｔａｎα
だけずらしレンズ中心Ｈをパッケージ中心Ｐに合致させ
ておくことである。つぎに可能な方法はパッケージ中心
Ｐにチップ中心Ｏを合致させレンズ中心ＨをＬｔａｎα
だけずらす方法である。さらにチップは任意の箇所に置
いてレンズをそれよりＬｔａｎαだけずれた位置に置く
方法である。

【００４３】つまりこれら部材のパッケージ中心線から
のズレによって表すと（ＳＴのＴの方を正と定義）、チップ中心Ｏ＝−Ｌｔａｎα、レンズ中心Ｈ＝０チップ中心Ｏ＝０、レンズ中心Ｈ＝＋Ｌｔａｎα チップ中心Ｏ＝β レンズ中心Ｈ＝β＋Ｌｔａｎα の３つの場合が可能である。ファイバの方は端面の方向
ＳＴが分かっているからｘｙ面内で平行移動し歪みを調
べながら調芯するのでここでは規定できない。

【００４４】ファイバ端Ｑの最適の位置はＱ＝Ｌｆｔａｎα Ｑ＝Ｌｆｔａｎα＋Ｌｔａｎα Ｑ＝Ｌｆｔａｎα＋Ｌｔａｎα＋β である。ただしＬｆはｚ方向の調整によって決めるから
予め決められない。

【００４５】ではどうしてファイバの回転方向によっ
て、図７と図８のような光線分布の違いが起こるのか？
これが問題である。光線追跡法によって計算した結果が
図７、図８であるから、このようになるのであるが直観
的に分かりにくい。図１３によって図６の場合図８のよ
うな不均一分布になる理由を説明する。図１３はファイ
バ端Ｑから出た光が球レンズＨを通ってチップに至る光
線軌跡を示す。違いを明らかにするためにレンズを誇張
して書いている。ファイバ端から出る光は斜め角αの方
向に出るがこれは円錐形の広がりを持つ。広がり角γは
ｓｉｎγ＝（ｎ₁ ²−ｎ₂ ²）^1/2 によって与えられる。ｎ
₁ はコア屈折率、ｎ₂ はクラッドの屈折率である。斜め
に出た場合でもほぼ同じ円錐角で広がる。

【００４６】一点Ｑから出た光線は球レンズによって屈
折するが光軸ＱｂＨｍＦｇ上での収束点が違う。外側を
通る光線程速く収束する。レンズ面にａ、ｂ、ｃ、ｄ、
ｅ、ｆ、ｇ点をとりここを通る光線について考察する。
中心を通る光はＱｂＨｍを通りガウス像面Ｆｂで収束す
る。もっとも収束点が遠いのである。少し曲がる光線Ｑ
ｃｌ、ＱａｎはＦｃで収束する。ｄを通る光線は光軸と
Ｆｄで交差する。ｅを通る光線は光軸とＦｅで交差す
る。もっと外殻部ｇを通る光線はｇｈＦｇと進みＦｇで
収束する。つまり中心Ｈより遠くを通る光線ほど強く屈
折するので収束点がレンズに近づく。これが球レンズの
収差である。図５のようにＨを通る近軸光は図１３にお
いてレンズ面のａｂで入射しｍｎで出射する。これがＦ
ｂ〜Ｆｃで光軸を切る。

【００４７】本発明者が発見した原理（特願平６−１７
１８７３号）によってチップは収束点（ガウス像面）よ
りも前方に置く方が歪みが小さいのである。図５のよう
にレンズの中心Ｈを通る近軸光をガウス像面より前方で
切る位置ｐｑに受光素子チップをおいたと言う場合を考
える。その場合光源点Ｑから微小面ａｂに広がる光は均
一に分布しｍｎでも均一分布で出射する。これが受光素
子チップ面ｐｑでは均一の光線分布になる。この様にな
るのが図５の場合である。近軸光が受光素子に入る。

【００４８】これとは違って図６の場合はファイバの斜
面の方向が反対であるからレンズの外側を通過する。つ
まり遠軸光である。遠軸光が大きく屈折してチップの中
心に入る。図１３においてレンズの斜め面ｆｇに入る光
線Ｑｆ〜Ｑｇがこれに該当する。これはｇｈ〜ｆｉの間
を通りｉ〜ｈから出射する。これを受けるためにガウス
像面よりレンズ側の遠軸光を受ける位置ｓｒにチップを
置く。これが図６の配置に対応する。すると光線ｉｓと
ｈｓがチップ面ｓにおいて交差する。するとレンズ面ｆ
〜ｇに入る全ての光線がレンズｆｉ〜ｇｈを通り角度ｈ
ｓｉの内部を通りチップ面の一点ｓに集中的に収束す
る。これが図８のＥＦＧＫＯＮの部分の過密の光線点に
当たる。

【００４９】このような球レンズの場合、外側を通る光
線と内側を通る光線がガウス像面の前で交差するので光
エネルギーが過密になる部分が必ず存在する。外側を通
る遠軸光は速く交差する。交差しているところではエネ
ルギーが過密になる。これが図８のような過密光エネル
ギーを招き二次歪みを増加させるのである。近軸光はガ
ウス像面まで交差しないのでエネルギーが過密になら
ず、焦点より前にチップをおくと均一の光エネルギー分
布が実現する。簡単に言えばこのようなことである。図
１３において光線がレンズに入射する点をｂｃｄｅｆｇ
というふうに変えていくことが図１０においてずれｘを
−１４０μｍから正の方向へ変えていくことに対応す
る。

【００５０】本発明はデフォーカスとオフアクシスとを
採用したものである。図によってその関係をより直観的
に示す。図１４は本発明のデフォーカス＋オフアクシス
の受光素子・レンズ・ファイバの関係を示す。図５、図
７の場合に対応する。ファイバ端の低いほうの点Ｓが軸
線近く（内側）にある。軸に対してαの角度をなすよう
に中心光線がでる。中心光線はレンズ中心Ｈを通過す
る。それ以外の近軸光線もレンズを通ったあと受光素子
ＰＤに入る。ガウス像面はその背後にある。近軸光線が
ＰＤを切るのであるから光線分布は均一である。

【００５１】図１５はファイバ端の最下点Ｓが外側にあ
る場合である。図６、図８に対応する。軸に対してαの
角度をなす様に中心光線がでるがこれはレンズを通らな
い。遠軸光線がレンズのごく外側を通って強く屈折され
てＰＤにはいる。レンズから見て軸から遠い遠軸光線と
いうのは、ファイバからの中心光線（αの角度をなす）
ＱＭに近い。これがＱｘｙｚとする。これは最も屈折が
弱い。Ｑｘｙｚはガウス像面の近くで直線ＱＨを切る。
いくつもの光線を書いているが反対側の局限はレンズの
周面近くで臨界角で屈折する光線Ｑｕｖｗである。これ
が最も強く屈折する。この臨界光線ＱｕｖｗがＰＤチッ
プへ入る点をＦとする。それ以上＋Ｘ側においてＰＤに
入射する光線は存在しない。これが図８のＥＦＧの境界
を与える。レンズの臨界屈折角を越えるのでそれ以上Ｐ
Ｄ面奥深くには光線が入らない。ために図８でＥＦＧよ
り遠くは空白になる。図８の空白はこのようなレンズの
臨界屈折に由来するのである。この様な直観的な説明に
よって、デフォーカス＋オフアクシスであって、ファイ
バから出る中心光線上にレンズ中心を位置させるという
本発明のＰＤの利点がよりいっそう明らかになろう。

【００５２】直観的な説明を与えた。レンズの周辺部を
通る光線をチップに当てたとき外周部で光線が重なるか
ら過密になり歪みが過大になるのである。近軸光は交差
せず過密領域が発生しないから歪みは小さい。すべての
光が受光面ｃに入るようにすれば感度は最大になるが光
の分布によって歪みが変わる。本発明はレンズの収差に
関連づけて歪みを考察して成功を収めている。

【００５３】

【実施例】本発明の組立方法を用いることによって、特
別な素子部材方法を用いることなく歪み特性の極めて優
れた受光素子モジュールを得ることができる。歪みが深
刻な影響を及ぼすアナログＰＤモジュールにおいて最適
のものを与えることができる。本発明の方法はアナログ
受信機だけでなくてデジタル受信機であって光入力レベ
ルが高い（歪みが大きくなり易い）場合に利用すると光
入射密度が均一化されてより正確な信号波形を再生する
ことができる。つまりアナログでもデジタルでも歪みの
少ない最適の受信機を与えることができるということで
ある。本発明の受光素子モジュールは受光素子チップ自
体と、モジュールからなる。そこでチップ自体と、モジ
ュールとを説明する。

【００５４】［ＰＤチップの実施例］これは従来から用
いられるチップをそのまま利用できる。本発明はチップ
自体の発明ではないからである。図１は受光素子チップ
の断面図である。ｎ−ＩｎＰ基板８１の上に、ｎ−Ｉｎ
Ｐバッファ層８２、ｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層８３、ｎ−
ＩｎＰ窓層８４がエピタキシャル成長している。このエ
ピタキシャルウエハーにパッシベーション膜を形成し素
子の中央部に当たる膜部分に穴を開けて穴を通してＺｎ
を選択拡散する。これによってｐｎ接合を形成する。光
が入射する受光面には、反射損失を低減するために、エ
ピタキシャル層表面にＳｉＯＮやＳｉＮｘのような誘電
体の反射防止膜が形成される。これは１．３μｍや１．
５５μｍの光を通し反射しないような膜厚、屈折率の組
み合わせにかかる多層膜を用いている。

【００５５】この例では受光層がＩｎＧａＡｓである
が、受光層をＩｎＧａＡｓＰとする事も可能である。例
えばその吸収端波長がλｇ＝１．４μｍとなる組成にす
れば、１．３μｍ光を受信し、１．５〜１．６μｍ光は
受信しないという波長選択性を持ったフォトダイオード
を実現する事ができる。Ｚｎ拡散したｐ領域の上にはリ
ング上に或いは一部にｐ側電極８６が形成される。ｎ型
ＩｎＰ基板８１の裏面にはｎ側電極９０が形成される。
ｐ電極とｎ電極は逆バイアスされる。入射光８９はｐ側
電極の方から反射防止膜８７を経て受光面に入る。これ
はＩｎＧａＡｓ受光層８３で吸収され電子正孔対を生じ
る。これが電流となり光信号に比例した光電流が発生す
る。

【００５６】光ＣＡＴＶの受信機の場合は、少なくとも
１ＧＨｚ以上の高速の応答性が要求される。ために受光
素子の受光径（２ｃ）は７０μｍ〜１００μｍにする事
が多い。図１の受光素子はこのような構造になってい
る。

【００５７】図１１はさらに工夫を加えた受光素子チッ
プである。本発明者による特願平２−２３０２０６号に
よって提案したものである。素子中央部の受光領域の拡
散と同時に素子周辺部にあたる部分にもＺｎ拡散領域９
５を形成している。この部分（拡散遮蔽用Ｚｎ拡散領
域）９５は中央の受光部８５とはｎ層によって隔てられ
ｐｎ接合が２重に介在するから完全に絶縁される。素子
周辺部９５に入射した光は電子正孔対を生成するが正孔
はｐ電極８６へ行けず電子はｎ電極９０に行けないので
やがて消滅する。つまりｐ領域９５が余剰なキャリヤを
吸収するので応答の遅れなどがない。よりチャンネル数
が増えた場合の光ＣＡＴＶの受信機として最適である。

【００５８】［ＰＤモジュールの実施例］図１２は本発
明の受光素子モジュールの基本構成を示す断面図であ
る。本発明は斜め切断ファイバ中心Ｑから出た光がレン
ズ中心Ｈを通りチップ中心Ｏに至るようにファイバ端、
受光素子チップを軸線から反対方向にずらしたものであ
る。ファイバの向きが大事である。図２に示した従来例
と良く似たタイプのものを示しているが図１２のモジュ
ールは全く同じではない。

【００５９】ヘッダ３２の上にサブマウント３３を介し
てＰＤチップ３１（受光素子）がダイボンドされてい
る。ヘッダ（パッケージ）３２はピン４１、４２、４３
等を有する。サブマウント３３は絶縁体であるが表面と
裏面はメタライズしてある。チップ１のｐ電極はワイヤ
３６によってピン４１に接続される。ｎ電極はサブマウ
ント３３の上面にボンドされている。上面はワイヤ３７
によってピン４３と接続される。チップ中心はヘッダの
中心にない。中心よりある一定の方向に一定量ずれてい
る。ずれの量ｘはレンズ中心Ｈとチップの距離Ｌに光フ
ァイバからの出射光の傾き角αとＬによって、ｘ＝Ｌｔ
ａｎαによって表される。これだけのズレの位置にチッ
プを予めダイボンドするのである。

【００６０】キャップ３８には窓があり球レンズ３４が
固定される。レンズ３４の中心Ｈはヘッダ３２の中心と
合致している。もちろんキャップ３８の取り付け誤差は
あるが誤差はこの際無視して話しを進める。ヘッダ３２
の上に円筒状のスリーブ４４が溶接される。ファイバ３
５の先端にフェルール４５が固定され先端が斜めに研磨
されている。斜め角をθとする。これは端面反射光がレ
ーザに戻らないようにするためであるが５゜〜１０゜な
ど何度でもよいのであるが、ここでは８゜斜め角のもの
を用いる。

【００６１】このときα＝３．９゜となる。レンズ中心
Ｈとチップの距離Ｌはキャップによって決まるがここで
はＬ＝２０００μｍとしている。そこでチップをヘッダ
の中心からｘ＝−１３６μｍずらして固定する（オフセ
ット実装）。もちろんこのオフセット実装はレンズをず
らすのでも良いのである。その場合はチップをヘッダ中
心に固定できる。であるからレンズ中心に対してＸ＝Ｌ
ｔａｎαだけずらすという方が一般的である。しかし調
芯の便宜を考慮するとレンズは軸線上にしてチップを一
方向にずらす方が便利である。

【００６２】フェルール４５はフェルールホルダー４６
に差し込まれている。フェルールホルダー４６はスリー
ブ４４の端面Ｇの上に固定されるがホルダー４６の中心
はヘッダ３２の中心線上にない。ホルダー４６はチップ
ずれと反対側にずれている。しかもファイバの斜め研磨
面の最下点Ｓが軸線に近い方に存在する。フィードバッ
ク端面の最下点Ｓ、最上点Ｔの方向はフェルールに目印
５１が付いているので予め認識できる。チップ中心Ｏと
レンズ中心Ｈを含みヘッダ面に直角な平面に目印５１が
恒に存在するようにすれば図１２のような方向を維持で
きる。

【００６３】ファイバ位置合わせは軸方向の位置合わせ
と軸垂直方向の移動と軸廻りの回転によってなされる。
ここでは軸方向の位置合わせは終わっているとして面内
での移動と回転だけについて述べる。平面での調芯は、
通常Ｇ面でホルダーを水平方向にｘｙ面内での平行移動
とある点での回転によってなされる。つまり従来法で
は、調芯＝平行移動＋回転である。ところが本発明では
回転について不要或いは不要に近くなる。

【００６４】初めｘｙ面でホルダーを動かしてチップ１
に入射する光量が最大（感度最大）で歪み最小に（ＩＭ
Ｄ₂ 最小）なる点を探す。ｘｙ面内の平行移動調芯につ
いては従来と同じ方法が必要である。つぎにフェルール
ホルダー（ファイバ）を回転させ歪み最小感度最大の点
を下がる調芯を行う。本発明は回転については調芯時間
作業をよほど短縮できる。本発明の場合はファイバの回
転方向は予め殆ど決まってしまう。最下点Ｓが軸線に近
い位置に来るようにするからである。だからファイバの
回転方向の調芯はせいぜい９０゜の範囲で行えば良い。
また回転方向の調芯は全く行わないでもよい。その場
合、ｘｙ面で水平移動させる調芯だけで済む。だから本
発明の場合は調芯＝平行移動＋限定範囲の回転、あるい
は調芯＝平行移動である。全回転による調芯作業がない
ので時間を節減できる。

【００６５】さらに調芯においては、歪みと感度のふた
つのパラメータを監視して行うのが理想的であるが、感
度はある範囲で最大値を取る（図４のように最大値で平
坦な特性がある）ことが分かっているから歪みだけを監
視するようにしても良い。理想的にはαの角度で出た光
が直進してレンズ中心とチップ中心を通るのであるが誤
差もあるので光はレンズの中心近くを通ることになるだ
けであり厳密に中心Ｈを通るとは言えない。歪み最小、
光量（感度）最大ということでファイバの位置を決める
のであって測定誤差部品誤差もあるので、ＱＨＯが結果
的に常に直線になるとは限らない。しかし大体のところ
直線上に並ぶ。

【００６６】

【発明の効果】本発明の方法によって、ＩＭＤ₂ ＝−８
０〜−８５ｄＢｃの受光素子モジュールを再現性良く製
造することができた。歪みが極めて小さいので、よりハ
イパワーの光入力であって、１００チャンネルのような
多数のチャンネルの光ＣＡＴＶ用の高性能受信モジュー
ルを安定して製造できる。また光入力の大きいデジタル
受信モジュールとしても利用することができる。

【００６７】初めからＰＤをパッケージの中心からずら
せて実装しておくので明瞭な非対称性ができる。ファイ
バの先端の傾斜の方向ＳＴが分かっているのでＳＴの方
向を非対称の方向に合わせてしまえば回転方向の調芯は
不要になる。ｘｙ面内での平行移動だけで調芯できる。
この場合回転しなくても最適方位からのずれは９０度以
内であり−７５ｄＢｃ以下という現在の要求を満足させ
ることができる。回転調芯は時間のかかる作業であるか
らこれを省くことの効果は大きい。完全に省かないまで
も回転の範囲を９０度程度に限定できる。いずれにして
も調芯時間を節減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明で用いることのできる公知の受光素子チ
ップの断面図。

【図２】従来例フォトダイオードモジュールの断面図

【図３】本発明者の先願にかかる特願平６−１７１８７
３号で提案されている低歪み受光素子モジュールの構成
を説明するための図。ファイバ、レンズ、チップが同一
直線上にある。

【図４】特願平６−１７１８７３号において軸線にそっ
てファイバを動かしたときにレンズ中心とファイバ端の
距離Ｚ（ｍｍ）と、感度ＲＡＣ（Ａ／Ｗ）と二次歪みＩ
ＭＤ₂ の変化の測定値を示すグラフ。

【図５】ファイバ端面から出る光がレンズ中心近傍を通
り直進してチップに入るようにした本発明によるファイ
バ、レンズ、ＰＤの配置を示す概略構成図。θ＝８°、
α＝３．７゜、Ｗ＝１２０μｍ、Ｘ＝−１４０μｍ、Ｌ
ｆ＝１８５０μｍ、Ｌ＝２１００μｍ。

【図６】ファイバ端面から出る光がレンズの周辺部を通
り大きく屈折してチップに入るようにした本発明による
ファイバ、レンズ、ＰＤの配置を示す概略構成図。θ＝
８゜、α＝３．７゜、Ｗ＝１６０μｍ、Ｘ＝＋１４０μ
ｍ、Ｌｆ＝１６５０μｍ、Ｌ＝２１００μｍ。

【図７】図５の配置においてファイバ端から出射円錐に
おいて等しい密度で多数の光線が限定された立体角にで
るとして光線を一本一本幾何光学的に追跡して受光素子
面のどの点に入射するのかを計算し入射点に点を付して
つくった光線入射点分布図。

【図８】図６の配置においてファイバ端から出射円錐に
おいて等しい密度で多数の光線が限定された立体角にで
るとして光線を一本一本幾何光学的に追跡して受光素子
面のどの点に入射するのかを計算し入射点に点を付して
つくった光線入射点分布図。

【図９】斜め研磨ファイバから出射した光が軸線とαを
なす方向に進行するとき斜め研磨角θとαの関係を説明
するための図。

【図１０】ファイバの端面ＳＴの向きにファイバを軸線
と直角な方向にずらせてそれとともにチップも感度が一
定値（０．９Ａ／Ｗ）を保つように反対方向にずらせた
時において二次歪みが、ずれＸとともにどのように変化
するかを測定しその結果を示すグラフ。

【図１１】本発明者らの特願平２−２３０２０６号によ
って提案されているチップの周辺部にもＺｎドープして
ｐ領域を形成し漏れ光による応答遅れをなくした受光素
子チップの断面図。

【図１２】本発明の実施例にかかる受光素子モジュール
の断面図。

【図１３】一点からでた光が、球レンズによって屈折し
光軸上に収束するが、レンズのどこを通るかによって収
束点が違い遠軸光線はガウス像面の前で交差するのでパ
ワーが過密になる部位が発生することを説明するための
図。

【図１４】本発明のデフォーカス＋オフアクシスの受光
素子・レンズ・ファイバの関係を示した図。Ｓ点が内側
にあるため光線分布が均一であることが分かる。

【図１５】デフォーカス＋オフアクシスであるが本発明
が否定する受光素子・レンズ・ファイバの関係を示した
図。Ｓ点が外側にあるため光線分布が不均一であること
が分かる。

【符号の説明】

１フォトダイオードチップ２パッケージ３球レンズ４斜めカットフェルール１２パッケージ１３サブマウント１４シングルモードファイバ１５アノードピン１６カソードピン１７パッケージピン１８スリーブ１９フェルールホルダー２０斜めカットフェルール２１ベンドリミッタ２２キャップ２３球レンズ３１受光素子チップ３２パッケージ３３サブマウント３４レンズ３５光ファイバ３６ワイヤ３７ワイヤ３８キャップ４０光ファイバの研磨端面４１アノードピン４２ケースピン４３カソードピン４４スリーブ４５フェルール４６フェルールホルダー５１目印５２フェルール傾斜面の最下点５４フェルールの先端８１ｎ−ＩｎＰ基板８２ｎ−ＩｎＰバッファ層８３ｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層８４ｎ−ＩｎＰ窓層８５Ｚｎ拡散領域８６ｐ電極８７反射防止膜８８パッシベーション膜８９入射光９０ｎ電極９５拡散遮蔽用Ｚｎ拡散領域

フロントページの続き (56)参考文献特開平８−18077（ＪＰ，Ａ) 特開平４−301809（ＪＰ，Ａ) 特開平７−234342（ＪＰ，Ａ) 実開昭61−85817（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 6/32 G02B 6/42

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】多チャンネルアナログ信号のための低歪
み受光素子モジュールであって、光ファイバの先端の傾
斜角θ、光ファイバコア屈折率ｎに対して決まる出射角
度αをα＝ｓｉｎ^−１（ｎｓｉｎθ）−θによって計算
し、レンズ中心ＨとフォトダイオードＰＤ間の距離をＬ
としてずれ量Ｘ＝Ｌｔａｎαを求め、パッケージ中心Ｐ
から一定方向にＸだけずれた地点を目標としてＰＤチッ
プをパッケージに固定し、収差のある球レンズをパッケ
ージ中心とレンズ中心Ｈが合致するようにパッケージに
取り付け、光ファイバは傾斜端面ＳＴの最下点ＳがＰＤ
のずれの方向に一致し光ファイバ端面から出射角αの方
向に出た光線がレンズ中心を通りＰＤチップに入射角α
で入るような方向に保持し、軸線と直交するｘｙ面内と
軸線に平行なＺ方向にそって平行移動し、ＰＤの球レン
ズによるガウス像面が光ファイバ端面より遠くにできる
範囲で、所望の感度であって最低の歪み率を与える点を
探し、その点に光ファイバを固定することを特徴とする
受光素子モジュールの製造方法。
【請求項２】多チャンネルアナログ信号のための低歪
み受光素子モジュールであって、光ファイバの先端の傾
斜角θ、光ファイバコア屈折率ｎに対して決まる出射角
度αをα＝ｓｉｎ^−１（ｎｓｉｎθ）−θによって計算
し、レンズ中心ＨとフォトダイオードＰＤ間の距離をＬ
としてずれ量Ｘ＝Ｌｔａｎαを求め、パッケージ中心Ｐ
から一定方向にβ（β＝０を含む）だけずれた地点を目
標としてＰＤチップをパッケージに固定し、収差のある
球レンズをパッケージ中心Ｐから同じ方向にβ＋Ｘだけ
ずれるようにパッケージに取り付け、光ファイバは傾斜
端面ＳＴの最下点Ｓがレンズに対するＰＤのずれの方向
に一致し光ファイバ端面から出射角αの方向に出た光線
がレンズ中心を通りＰＤチップに入射角αで入るような
方向に保持し、軸線と直交するＸＹ面内と軸線に平行な
Ｚ方向にそって平行移動し、ＰＤの球レンズによるガウ
ス像面が光ファイバ端面より遠くにできる範囲で、所望
の感度であって最低の歪み率を与える点を探し、その点
に光ファイバを固定することを特徴とする受光素子モジ
ュールの製造方法。
【請求項３】斜め切断ファイバをレンズ軸線、ＰＤ受
光面に垂直な軸線とずれた最適位置に調芯する場合に、
光ファイバ周りの回転調芯を行わないことを特徴とする
請求項１、２のいずれかに記載の受光素子モジュールの
製造方法。
【請求項４】多チャンネルアナログ信号のための低歪
み受光素子モジュールであって、傾斜角θの端面をもち
コア屈折率がｎの光ファイバと、光ファイバから出た光
を集光するための収差のある球レンズと、球レンズによ
って集光された光を受光するための受光素子チップとを
含み、ファイバの傾斜端面の最下点をＳ、最上点をＴと
して、ファイバ端面からの斜め出射角をα＝ｓｉｎ^−１
（ｎｓｉｎθ）−θとして、受光素子チップとレンズ中
心の距離をＬとして、チップ中心Ｏがレンズ中心Ｈより
もファイバ端面の最下点Ｓの方向にＬｔａｎαだけ軸直
角方向にずれており、ファイバ中心Ｑはレンズ中心より
もファイバ端面の最下点Ｓと反対の方向に軸直角方向よ
りずれており、球レンズによるＰＤのガウス像面より光
ファイバ端面が球レンズに近い位置に設定されているこ
とを特徴とする受光素子モジュール。
【請求項５】光ファイバの先端の斜め切断角θが、４
゜〜１０゜であることを特徴とする請求項４に記載の受
光素子モジュール。
【請求項６】シングルモードファイバのコア径が約１
０μｍであり、光ファイバの斜め切断角θが約８゜であ
り、ファイバとレンズ中心Ｈ間距離が約１８５０μｍで
あり、レンズが屈折率１．５、直径１．５ｍｍの球レン
ズであり、レンズ中心Ｈと受光素子受光面の距離Ｌが約
２１００μｍであり、レンズ中心に対するチップのずれ
Ｘ＝Ｌｔａｎαが５０〜１８０μｍであることを特徴と
する請求項４または５に記載の受光素子モジュール。
【請求項７】受光素子チップがＩｎＧａＡｓ受光層を
有することを特徴とする請求項４〜６の何れかに記載の
受光素子モジュール。
【請求項８】受光素子チップがＩｎＧａＡｓＰ受光層
を有することを特徴とする請求項４〜６の何れかに記載
の受光素子モジュール。
【請求項９】受光素子チップがＩｎＰ基板、ＩｎＰバ
ッファ層、ＩｎＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓＰ受光層、Ｉ
ｎＰ窓層よりなることを特徴とする請求項７又は８に記
載の受光素子モジュール。
【請求項１０】受光素子チップが受光層の周辺にもＺ
ｎ拡散によるｐｎ接合を有し、受光面の周辺の漏れ光に
よる不要なフォトキャリヤを除去するようにしたことを
特徴とする請求項４〜９の何れかに記載の受光素子モジ
ュール。