JP5179034B2 - 受光モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光インターコネクションなどの光通信に用いられる受光モジュールに関する。

光インターコネクションにおいては、たとえば、発光モジュールから受光モジュールへ光を伝送することで、高速かつ大量の情報を転送することができる。このような発光モジュールまたは受光モジュールにおいては、光を集束させるために、たとえば特許文献１に掲載されているような凸状レンズが形成されていることがある。

このような受光モジュールの一例を図１０に示している。図１０に示す受光モジュールＸは基板９１と、基板９１に搭載されたフォトダイオード９２と、このフォトダイオード９２を覆う樹脂パッケージ９３とを備えて構成されている。樹脂パッケージ９３は、フォトダイオード９２に光を集めるためのレンズ９３ａを備えている。レンズ９３ａは、たとえば半球面状に形成された凸レンズであり、外部から進入してきた光をフォトダイオード９２へ向けて集束させる。図１０には、図中の真上からフォトダイオード９２へ向けて入射する光を実線で示している。

しかしながら、近年、通信速度を向上させるためにフォトダイオード９２の小型化が進んでおり、フォトダイオード９２の受光面９２ａの面積がより小さいものが用いられるようになっている。レンズによって集束された光はその照射面積が小さくなるので、受光面９２ａの面積が小さいと、受光面９２ａに光が当たらないこと可能性が出てくる。たとえば、図１０に仮想線で示した光のように、実線で示した光よりも図中右にずれた位置から入射した光が、フォトダイオード９２の受光面９２ａの外に集束されてしまうことがあった。このように、入射光の入射位置によってはフォトダイオード９２が受光できないことが起こるため、フォトダイオード９２の小型化によって受光感度が低下してしまう問題が発生していた。

特開２００５−１７６７８号公報

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、受光感度を向上させることが可能な受光モジュールの提供を課題としている。

本発明によって提供される受光モジュールは、受光素子と、上記受光素子を覆い、入射光を上記受光素子に集光させるためのレンズが表面に形成された樹脂パッケージと、を備えた受光モジュールであって、上記樹脂パッケージは、互いに屈折率が異なる物質の境界面であって、かつ、上記レンズによって集束される上記入射光に散乱を加える起伏が形成された面を有することを特徴とする。ここでいう互いに屈折率が異なる物質は、たとえば上記レンズと空気や、上記樹脂パッケージが複数の層からなる場合の層と層などである。すなわち、上記起伏は、上記レンズの表面や、上記樹脂パッケージが複数の層からなる場合の層と層とが接する面上に形成されている。

このような構成によれば、入射した光は上記起伏によって面散乱され、過度に集束されることなく、受光素子の受光面での光の照射面積を増加させることができる。したがって、本発明に係る受光モジュールは、受光感度を向上させることができる。

好ましい実施の形態においては、上記起伏は、上記光軸について回転対称であり、たとえば、正弦波、三角波または台形波を上記光軸周りに回転させた回転面で構成されている。このような構成によれば、上記レンズに入射した光に、その光の入射位置にかかわらず同等の散乱を加えることができ、上記受光素子に照射される光の面積を好適に増加させることができる。

好ましい実施の形態においては、上記樹脂パッケージは、上記レンズと上記受光素子との間に、上記レンズによって集束された光を上記受光素子へ導くためのテーパ面を有しており、上記テーパ面は、上記受光素子へ近づくほど内径が小さくなる筒状体の内面に形成されており、この筒状体の上記レンズ寄りの開口は上記受光素子の受光面よりも広くなっている。このような構成によれば、上記レンズから入射した光は、上記テーパ面に入射すれば上記受光素子の受光面へと誘導される。このため、上記テーパ面のレンズ寄りの開口は上記受光面よりも広いので、より多くの光を上記受光面で受光できるようになり受光感度を向上させることが可能になる。なお、より好ましくは、上記筒状体の上記受光素子寄りの開口の面積が上記受光面の面積と同程度になるようにし、上記レンズ寄りの開口をそれよりも広くするのがよい。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本発明の好ましい実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、本発明に係る受光モジュールの第１実施形態を示している。本実施形態の受光モジュールＡ１は、基板１と、フォトダイオード２と、樹脂パッケージ３と、レンズ３ａと、筒状体４と、を備えている。また、図１には、レンズ３ａの光軸Ｌを仮想線で示している。この受光モジュールＡ１は、図示しない発光モジュールと対になっており、この発光モジュールから照射された光をフォトダイオード２で受光することで情報の伝達が行われる。

基板１は、フォトダイオード２と樹脂パッケージ３とを搭載している。

フォトダイオード２は、本発明に係る受光素子であり、光を照射されるとその光量に応じた電流を生じる機能を有する。フォトダイオード２は、たとえば、その受光面２ａが直径１００μｍ程度の円状に形成されている。このフォトダイオード２は、レンズ３ａからの光を好適に受光できるように、光軸Ｌ上に設置されている。

樹脂パッケージ３は、受光モジュールＡ１と対をなす発光モジュールから照射される光に対して透光性を備える樹脂からなり、フォトダイオード２を覆うように形成されている。また、この樹脂パッケージ３の図１における上側の外部との境界面には、起伏を有する凸状のレンズ３ａが形成されている。このレンズ３ａは、たとえば、直径３．３ｍｍ程度であり、正弦波状の起伏を有する曲面を、光軸Ｌ周りに回転させた形状であり、円筒座標系における関数である数式１によって表される。数式１の第６項は正弦波項であり、Ｈは正弦波の振幅で、たとえば０．０１ｍｍであり、ＷＬは正弦波の波長で、たとえば０．５ｍｍである。また、樹脂パッケージ３内部には筒状体４が埋め込まれるように形成されている。

筒状体４は、フォトダイオード２とレンズ３ａとの間の、フォトダイオード２寄りの位置に設置されており、光軸Ｌを囲み、フォトダイオード２に近づくほどその内径が狭くなる筒状に形成されている。この筒状体４の内面が、フォトダイオード２が受光する波長の光を反射するテーパ面４ａとして形成されている。筒状体４のフォトダイオード２寄りの開口部分の直径は、フォトダイオード２の受光面２ａの直径と同程度とし、筒状体４のレンズ３ａ寄りの開口部分の直径は、受光面２ａの直径より大きくするのがよい。すなわち、受光面２ａより広い開口から入射した光は、テーパ面４ａで反射を繰り返しながら進行し、受光面２ａと同程度の大きさの開口から受光面２ａへ照射される。したがって、テーパ面４ａによって、受光面２ａよりも広い範囲において光を集めることができ、受光面２ａへ入射する光を増やすことができる。

次に、受光モジュールＡ１の作用について説明する。

受光モジュールＡ１においては、レンズ３ａに起伏が形成されているので、レンズ３ａによって集束される光には上記起伏による散乱が加えられ、フォトダイオード２へ照射される光はこの散乱によってその照射面積が大きくなる。さらに、テーパ面４ａによって、より広範囲の光をフォトダイオード２へ誘導することができる。このため、受光モジュールＡ１は、高い受光感度を備えている。以下に、具体的な例を挙げて説明を行う。

図２に、受光モジュールＡ１の受光感度と、受光モジュールＡ１と類似の構成を備えた参考例の受光感度とを比較するためのグラフを示す。参考例の受光モジュールは、たとえば受光モジュールＸのように起伏を有さないレンズを用いたものであり、その他の構成は受光モジュールＡ１と同様である。図２におけるグラフは、縦軸にはフォトダイオードにおける光入射強度を、横軸にはレンズへの入射光の入射位置の光軸Ｌからのずれを示している。なお、図２のグラフにおいては、図１における左右方向をｙ方向とし、光軸Ｌの位置をｙ座標における原点としている。さらに、図２のグラフには、受光モジュールＡ１と参考例とのそれぞれで、３種類の入射角αに対してグラフを示している。入射角αは、光軸Ｌと入射光とがなす角度である。

図２によると、参考例の場合においては、入射角α＝１．５°，３．０°のグラフにおけるｙ方向ずれが−１のときなど、フォトダイオードに入射する光強度が大幅に小さくなる点がある。一方、受光モジュールＡ１の場合には光強度が大幅に小さくなる点がないことが分かる。したがって、受光モジュールＡ１が、レンズ３ａに形成された起伏により、入射光の入射位置にかかわらず安定した受光が可能であることは明らかである。

図３は、本発明に係る受光モジュールの第２実施形態を示している。図３に示す受光モジュールＡ２は、レンズ３ａに形成される起伏の形状が、三角波の回転面となっており、その他の構成は受光モジュールＡ１と同様である。

レンズ３ａの起伏をこのような三角波形状としても、入射光に散乱を加え、受光面２ａへ入射する光の照射面積を大きくすることができる。したがって、受光モジュールＡ２も、受光感度に優れている。さらに、受光モジュールＡ２は、レンズ３ａに形成される起伏が平面で構成されているので、受光モジュールＡ１の場合よりもレンズ３ａの加工が容易となっている。

図４は、本発明に係る受光モジュールの第３実施形態を示している。図４に示す受光モジュールＡ３は、レンズ３ａに形成される起伏の形状が、台形波の回転面となっており、その他の構成は受光モジュールＡ１，Ａ２と同様である。

レンズ３ａの起伏をこのような台形波形状としても、入射光に散乱を加え、受光面２ａへ入射する光の照射面積を大きくすることができる。したがって、受光モジュールＡ３も、受光感度に優れている。さらに、受光モジュールＡ３は、レンズ３ａに形成される起伏が平面で構成されているので、受光モジュールＡ１の場合よりもレンズ３ａの加工が容易となっている。

図５は、本発明に係る受光モジュールの第４実施形態を示している。図５に示す受光モジュールＡ４は、受光モジュールＡ１では一体であった樹脂パッケージ３が、レンズ層５、外枠６、保護層７とに分かれている。レンズ層５は、透明樹脂で形成された層であり、図５の上方に膨出するレンズ３ａが形成されている。このレンズ３ａは、受光モジュールＡ１と同様で、正弦波の回転面形状の起伏を有している。外枠６は、円筒状の樹脂パッケージであり、保護層７上に設置され、レンズ層５を支持している。この外枠６の内側は空気層６ａとなっている。保護層７は、透明樹脂で形成された層であり、フォトダイオード２および基板１を保護し、筒状体４を支持している。なお、受光モジュールＡ４のその他の構成は受光モジュールＡ１と同様である。

この受光モジュールＡ４は、受光モジュールＡ１と同様にレンズ３ａに形成された起伏によって入射光に散乱が加えられ、フォトダイオード２へ入射する光の照射面積が増加する。したがって、受光モジュールＡ４は、受光モジュールＡ１と同様に安定した受光が可能となっている。さらに、レンズ層５の屈折率が空気層６ａの屈折率よりも大きくなるようにすると、レンズ３ａから入射した光は、レンズ層５と空気層６ａとの間で、レンズ３ａの焦点位置がレンズ３ａに近づくように屈折する。したがって、受光モジュールＡ４は、受光モジュールＡ１よりも短い距離で入射光が集束するので、小型化が可能となっている。

上記の実施形態では、レンズ３ａの表面に波状の起伏を形成しているが、たとえば、光軸Ｌ方向視の形状が、図６に挙げたような多角形あるいは円形である起伏を用いてもよい。すなわち、レンズ３ａ表面に、本発明に係る起伏として、多角錐、多角錘台、円錐、円錐台などが形成されていてもよい。このような起伏でも、入射光に散乱を加えることが可能である。

図７には、本発明に係る受光モジュールの第５実施形態を示している。図７に示す受光モジュールＡ５は、図７中におけるレンズ層５の下側であるレンズ３ａの裏面３ｂに起伏が形成されており、その他の構成は受光モジュールＡ４と同様である。レンズ層５と空気層６ａとは互いに屈折率が異なる物質であり、レンズ３ａの裏面３ｂはその境界となっている。

レンズ３ａから入射してフォトダイオード２へ向かう光は、裏面３ｂを通るので、この裏面３ｂに形成された起伏によって散乱が加えられる。したがって、受光面２ａへ入射する光の照射面積が大きくなり、受光モジュールＡ５は良好な受光感度を有する。さらに、レンズ３ａの曲面に起伏を形成するより、平面である裏面３ｂに起伏を形成するほうが加工が容易であるので、受光モジュールＡ５は、受光モジュールＡ４よりも製造が容易である。なお、この裏面３ｂに形成する起伏は、図７に示すような正弦波形状に限定されず、上に挙げた実施形態に挙げられている様々な形状のいずれを適用させてもかまわない。

図８には、本発明に係る受光モジュールの第６実施形態を示している。図８に示す受光モジュールＡ６は、筒状体４を有していない点以外は受光モジュールＡ１と同様の構造を備えている。このような構成によれば、受光モジュールＡ１のようにテーパ面４ａによって受光面２ａより広い範囲の光を拾うことができなくなるが、筒状体４を形成する手間を省くことができる。このような受光モジュールＡ６においては、光軸Ｌからずれて入射した光でも、図に実線で示した光線のように、レンズ３ａにおける散乱によって受光面２ａへ到達することが可能となる。以下に、具体的な例を挙げて説明を行う。

図９に、このような受光モジュールＡ６の受光感度と、受光モジュールＡ６と類似の構成を備えた参考例の受光感度とを比較するためのグラフを、図２のグラフに倣って示す。参考例の受光モジュールは、たとえば受光モジュールＸのように起伏を有さないレンズを用いたものであり、その他の構成は受光モジュールＡ６と同様である。

図９に示すように、参考例においては、入射角αが０°の場合以外の入射強度が総じて低くなっているのに対し、受光モジュールＡ６においては入射角およびｙ方向ずれにかかわらず安定して良好な入射強度となっている。したがって、受光モジュールＡ６は、入射光が光軸Ｌに対して傾いていたり、入射位置がフォトダイオード２ａの図中真上からずれている場合でも、良好な受光感度を保つことができるのは明らかである。

本発明に係る受光モジュールは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る受光モジュールの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。たとえば、上述した実施形態では発光モジュールから照射された光を受光する受光モジュールを挙げているが、光ファイバ等のその他の光源からの光を受光する受光モジュールにおいても、本発明を用いることができる。また、上述した実施形態における各部の構成を組み合わせて用いたものも本発明の範囲内である。

本発明に係る受光モジュールの第１実施形態を示す断面図である。 図１の受光モジュールと参考例とを比較するためのグラフである。 本発明に係る受光モジュールの第２実施形態を示す断面図である。 本発明に係る受光モジュールの第３実施形態を示す断面図である。 本発明に係る受光モジュールの第４実施形態を示す断面図である。 本発明に係る起伏の光軸正面視のパターンを例示したものである。 本発明に係る受光モジュールの第５実施形態を示す断面図である。 本発明に係る受光モジュールの第６実施形態を示す断面図である。 図８の受光モジュールと参考例とを比較するためのグラフである。 従来の受光モジュールを示す断面図である。

符号の説明

Ａ１，Ａ２，Ａ３，Ａ４，Ａ５，Ａ６ 受光モジュール
Ｌ 光軸
１ 基板
２ フォトダイオード
２ａ 受光面
３ 樹脂パッケージ
３ａ レンズ
３ｂ 裏面
４ 筒状体
４ａ テーパ面
５ レンズ層
６ 外枠
６ａ 空気層
７ 保護層

Claims (4)

1. 受光素子と、
   上記受光素子を覆い、入射光を上記受光素子に集光させるためのレンズが表面に形成された樹脂パッケージと、
   を備えた受光モジュールであって、
   上記樹脂パッケージは、互いに屈折率が異なる物質の境界面であって、かつ、上記レンズによって集束される上記入射光に散乱を加える起伏が形成された面を有することを特徴とする、受光モジュール。
2. 上記起伏は、上記レンズの光軸について回転対称である、請求項１に記載の受光モジュール。
3. 上記起伏は、正弦波、三角波または台形波を上記光軸について回転させた回転面である、請求項２に記載の受光モジュール。
4. 上記樹脂パッケージは、上記レンズと上記受光素子との間に、上記レンズによって集束された光を上記受光素子へ導くためのテーパ面を有しており、
   上記テーパ面は、上記受光素子へ近づくほど内径が小さくなる筒状体の内面に形成されており、この筒状体の上記レンズ寄りの開口は上記受光素子の受光面よりも広くなっている、請求項１ないし３のいずれかに記載の受光モジュール。

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