JP6196182B2 - Semiconductor photo detector - Google Patents
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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。 The present invention relates to a semiconductor light receiving device in which a plurality of photodiodes are arranged.
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。 A photodiode (PD), which is a semiconductor light receiving element, is one of important key devices constituting an optical communication system, and the development of the system is progressing in response to the explosive increase in communication traffic in recent years. Various requests are received including this.
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。 For example, as an increase in capacity of an optical communication system, differential (differential) phase shift keying (DPSK), differential quadrature phase shift keying (DQPSK), or digital coherent technology is used. Multi-level modulation technology has been actively developed.
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。 Accordingly, the light receiving device is required to be multi-channeled in which a plurality of photodiodes are arranged and integrated on one chip. In the case of a single photodiode, development toward high speed and high sensitivity is progressing as an improvement in element characteristics. However, in the case of multi-channeling, a new problem of optical mounting will arise.
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。 Conventionally, photodiodes are arranged for the necessary channels, and light is incident from a multi-core fiber or the like. In order to obtain high coupling efficiency, a microlens array or the like has been used for coupling light (see Non-Patent Document 1). However, these configurations have a problem that the cost of parts is high and mounting is difficult.
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。 On the other hand, if a single lens having a large diameter is used for light coupling, the component cost can be reduced. However, with a single lens configuration, there is a problem that the tolerance at the time of mounting becomes small and the difficulty of mounting increases.
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。
Hereinafter, the tolerance at the time of mounting by the single lens mentioned above is demonstrated using FIG. FIG. 5 is a plan view showing a configuration of a multi-channel light receiving device in which four
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。
In the DQPSK system, since I-ch and Q-ch signals are respectively received differentially, a total of four photodiodes are required. As shown in FIG. 5, four photodiodes are included in one
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。 Assume that light is incident on a general 4-fiber with a pitch of 250 μm, and light is incident on a single lens in order to reduce the cost of the module. Here, assuming that the focal length of the lens is 150 μm and the distance from the fiber to the lens is 300 μm, light is incident at a multiplication factor of 1 on the center of the light receiving surface of each photodiode with respect to the 4ch photodiode array. Can do. In general, in light mounting, tolerance in the optical axis direction is considered to be large. This is because when the light beam deviates from the optimum position in the optical axis direction, the multiplication factor changes and the light spot size also changes, but the irradiation position of the irradiated spot does not change, so that there is no significant difference in coupling efficiency. .
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。
However, when the light from the multi-core fiber is collected by a single lens, the light spot in the peripheral part away from the central part of the array as illustrated in FIG. 5 due to the shift in the optical axis direction and the change in the multiplication factor. In 512a and 512d, not only the spot size but also the irradiation position is shifted from the center of the
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。 For example, if a shift of 5 μm occurs in the optical axis direction when light is incident on the single lens, the multiplication factor is changed from 1 to 1.03. As a result, when the light emitted from the four-core fiber passes through the lens and forms an image, each spot size is only enlarged from 10 μm to 10.3 μm, but the pitch is changed from 250 μm to 257.5 μm. For this reason, the light (spot) from the peripheral fiber away from the center of the array is shifted by 11.25 μm from the center of the light receiving surface of the photodiode. As described above, in the configuration of the single lens, there is a problem that the irradiation position of the light emitted from the peripheral fiber with respect to the central portion of the array is greatly shifted with respect to the central portion of the array due to the shift in the optical axis direction.
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。 The present invention has been made to solve the above-described problems. In a configuration in which a plurality of arranged photodiodes are optically coupled with a single lens, positional deviation in the optical axis direction occurs. However, it is an object of the present invention to irradiate the photodiodes around the array without shifting light.
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と、複数のフォトダイオードに光を結合する1つのレンズとを備え、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。 A semiconductor light-receiving device according to the present invention includes four or more surface-receiving photodiodes arranged on a substrate, and one lens that couples light to the plurality of photodiodes. The effective light-receiving surface is formed in an isotropic shape as the portion is closer, and the effective light-receiving surface is formed in a longer shape in the arrangement direction as it is farther from the central portion of the array, and the areas of the effective light-receiving surfaces of the plurality of photodiodes are equal. In the photodiode, it is only necessary that the effective light receiving surface be closer to a circle at the center of the array, and that the effective light receiving surface be longer in the array direction as it is farther from the center of the array.
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。 As described above, according to the present invention, in a configuration in which a plurality of arranged photodiodes are optically coupled with a single lens, even if a positional shift in the optical axis direction occurs, the photodiodes in the periphery of the array On the other hand, it is possible to obtain an excellent effect that light can be irradiated without shifting.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a semiconductor light receiving device according to an embodiment of the present invention.
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。
This semiconductor light receiving device includes surface-receiving
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。
In the
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。
The plurality of
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。
As a specific example, in a single lens system having a focal length of 150 μm, light from a four-core fiber having an arrangement interval (pitch) of 250 μm and a core diameter of 10 μm is coupled to the
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。
Here, consider a case where the distance from the lens to the fiber is 295 μm shifted by 5 μm in the optical axis traveling direction. In this case, although the multiplication factor is 1.03, the
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。
Next, consider a case where the distance from the lens to the fiber is 305 μm, shifted by 5 μm in the direction opposite to the light travel. In this case, although the multiplication factor is 0.97, the
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。 As described above, in the present invention, among four or more surface-receiving photodiodes arranged on a substrate, the effective light-receiving surface is longer in the arrangement direction as the photodiode is farther from the center of the array. Shaped. Thereby, according to the present invention, in the configuration in which the plurality of arranged photodiodes are optically coupled with one lens, even if the positional deviation in the optical axis direction occurs, Light is irradiated (coupled) without shifting.
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。 The present invention relates to a semiconductor light-receiving device using a photodiode array in which a plurality of photodiodes are integrated on one chip, such as used in a large-capacity optical communication system using a multi-level modulation system. Thus, even when a single lens system is adopted as a cost reduction when assembling the photoelectric conversion module, a high-performance module can be produced without impairing mounting tolerance.
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。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious. For example, various structures such as pin-PD and UTC-PD can be applied to the photodiode, and an avalanche photodiode may be used.
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。 Further, the planar shape of the effective light receiving surface is not limited to a combination of a circle and an ellipse, and may be a square and a rectangle, or a polygon. As long as the effective light receiving surface has a shape closer to point symmetry toward the center of the array and becomes longer in the array direction toward the periphery, any form may be used. However, in general, the light spot system is circular, and considering the ease of manufacturing a photodiode, the combination of circular and oval is efficient.
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。
DESCRIPTION OF
Claims (2)
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。 Four or more surface-receiving photodiodes arranged on a substrate, and one lens for coupling light to the plurality of photodiodes ,
The photodiode is
The effective light receiving surface is isotropic in the center of the array,
The further away from the center of the array, the longer the effective light receiving surface is in the array direction,
The plurality of photodiodes have equal areas of effective light receiving surfaces. A semiconductor light receiving device, wherein:
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。 The semiconductor light receiving device according to claim 1,
The photodiode is
The effective light receiving surface is closer to a circle at the center of the array,
A semiconductor light-receiving device, wherein an effective light-receiving surface has an elliptical shape that is longer in the arrangement direction as it is farther from the center of the arrangement.
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