JP6222182B2 - 波長多重光受信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、波長多重光受信モジュールに関し、特に、互いに波長の異なる複数の信号光を含む入力光を波長分割してそれぞれの信号光に含まれる電気信号を再生する波長多重光受信モジュールに関する。

近年、通信速度の高速化が進んでおり、光トランシーバ等に用いられる光受信モジュールには４０Ｇｂｐｓや１００Ｇｂｐｓの伝送速度に対応することが求められる。このような高速伝送では、単一波長の信号光ではなく波長多重化された信号光が用いられることが多い。

波長多重化された信号光を受信する場合、受光素子を１つのみ実装した光受信モジュールを光トランシーバに複数設ける構成では、光トランシーバが大型化してしまうので、小型の光トランシーバでは複数の受光素子を単一の光受信モジュールに実装して、該光受信モジュールにて波長多重化された信号光を受信することが行われている。

波長多重化された信号光を受信する光受信モジュールとしては、例えば、特許文献１及び２に開示のものがある。この波長多重光受信モジュールは、互いに波長の異なる複数の信号光を含む入力光を波長に基づいて各信号光に分波する光分波器と、該光分波器により分波された信号光をそれぞれパッケージ底壁方向に向けて反射させるミラーとが、パッケージ底壁から支持部材により離間させて配置したキャリア上に実装された形態で収容されている。また、ミラーで反射された分波信号光をそれぞれ集光する複数のレンズと、該レンズを透過した分波光信号をそれぞれ受光する複数の受光素子と、が収容されている。この構成の波長多重光受信モジュールは、従前のものに比べて実装が容易であり、部品に加工精度が要求されないため低コストで作製することができる。

特開２０１３−１２５０４５号公報 特開２０１４−１３７４７６号公報

特許文献１及び２のものと同様な構成を有する波長多重光受信モジュールにおいて、組立作業を容易にしつつ、高い受光感度を得るために、以下のように、集光レンズをデフォーカスし、モノリシックレンズを有する裏面入射型の受光素子を用いることが考えられる。集光レンズをデフォーカスすることで、すなわち、図８（Ａ）に示すように集光レンズの焦点位置Ｐ１０を受光素子１００の受光層１０１とは異なる位置とすることで、受光層１０１の位置における集光レンズを透過した信号光のビーム径Ｒ１０を拡大させることができ、受光層全域で光電変換が可能になるため、安定した受信特性が得られる。その半面、図８（Ａ）のような通常の表面入射型の受光素子１００では、実装ばらつき等により、ビーム径Ｒ１０が受光面の面積外にはみ出してしまい、受光層に到達する光量が低減してしまうことがある。しかし、図８（Ｂ）に示すようなモノリシックレンズ２０１が裏面に形成された裏面入射型の受光素子２００を採用することにより、受光面が小さい場合に集光レンズをデフォーカスしても高い受光感度を維持できる。

また、受光素子２００は、受光感度を高めるために、図８（Ｂ）に示すように受光層２０２の下に反射層２０３が形成されている。反射層２０３を設けることで、受光層２０２で吸収しきれず透過したフォトンをこの反射層２０３で再び受光層２０２内に戻し、受光感度を高めることができる。

しかし、波長多重光受信モジュールにおいて、モノリシックレンズを有し受光層の下に反射層を有する受光素子を用いる場合、モノリシックレンズ表面からの反射光や、反射層で反射し受光層を透過する迷光が存在し、ＯＲＬ（Optical Return Loss）が大きくなってしまう。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、組立作業性が良く、受光素子の受光面が小さくても受光感度が高く、ＯＲＬが少ない波長多重光受信モジュールを提供することをその目的とする。

本発明の波長多重光受信モジュールは、互いに波長の異なる複数の信号光を含む入力光をコリメート光に変換するコリメートレンズと、コリメート光についてそれぞれの信号光が有する波長に基づいて信号光に分割する波長分割フィルタと、波長分割されたそれぞれの信号光を反射するミラーと、反射された複数の信号光をそれぞれ集光する複数の集光レンズと、集光されたそれぞれの信号光を受光する複数の受光素子と、を備え、該複数の受光素子それぞれは、受光した信号光を電気信号に変換する受光層と、集光された信号光を受光層に結合するモノリシックレンズと、受光層を挟んでモノリシックレンズとは反対側に位置する反射層を有し、前記集光された前記信号光は、前記モノリシックレンズによりコリメート光に変換されており、受光層に入射する光の光軸は、当該受光層の光軸に対して傾いている。

本発明によれば、組立作業性が良く、受光素子の受光面が小さくても受光感度が高く、ＯＲＬが少ない波長多重光受信モジュールを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る波長多重光受信モジュールの一例を示す図である。 図１の波長多重光受信モジュールを説明するための図である。 光分波器とミラーを説明するための図である。 レンズアレイと受光素子を説明するための図である。 レンズアレイと受光素子を説明するための別の図である。 本発明の第２の実施形態に係る波長多重光受信モジュールの一例を説明するための図である。 本発明の第３の実施形態に係る波長多重光受信モジュールの一例を説明するための図である。 本発明の課題を説明するための図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の波長多重光受信モジュールに係る好適な実施の形態について説明する。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および範囲内ですべての変更が含まれることを意図する。また、以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１及び図２は、本発明の第１の実施形態に係る波長多重光受信モジュールの一例を示す図である。図１は説明を容易にするためにパッケージの蓋を外し、フレームの一部を破断した状態で示す斜視図、図２（Ａ）は図１（Ａ）の波長多重光受信モジュールの断面図、図２（Ｂ）は光受信部分の構成を説明するための模式図である。

図１の波長多重光受信モジュール（以下、光モジュール）１０は、互いに波長の異なる複数の信号光を含む入力光を波長分割してそれぞれの信号光に含まれる信号を再生するものであり、外部光ファイバが接続されるレセプタクル１１と、受光素子や光学部品等が収容されるパッケージ１２と、外部回路との電気接続のための端子部１３とを備えている。レセプタクル１１は、光コネクタのフェルールが挿入されるスリーブ１４と、レセプタクル１１をパッケージ１２に接合させるためのホルダ１６と、調芯可能にスリーブ１４とホルダ１６とを連結するジョイントスリーブ１５とを有する。以下では、光モジュール１０のレセプタクル部１１側を前側、反対側を後側として説明する。

パッケージ１２は、略直方体形状であり、例えば、角状のフレーム２０と、底壁２１と、上部開口を塞ぐ蓋２２（図２（Ａ）参照）とを有する。フレーム２０の前壁には、円筒状のブッシュ２３が設けられている。底壁２１は、銅モリブデンや銅タングステン等の材料を用いることができ、また、熱伝導性のよい材料を用いることにより放熱性を高めることができる。蓋２２は、素子や部品の収容と配線後に、これらを密封するようにフレーム２０に対して密に固定される。端子部１３は、例えば、複数のセラミック基板を積層して形成され、フレーム２０の後壁に組み付けられ、さらに、パッケージ１２内の素子と外部系とを電気的に接続する、高周波ラインおよび電源ラインが形成されている。

レセプタクル１１のレンズホルダ１６は、図２（Ａ）に示すように、フレーム２０の前面側に設けたブッシュ２３を介してパッケージ１２に固定される。レンズホルダ１６には、ジョイントスリーブ１５を介してスリーブカバー１４ａに保護されたスリーブ１４が結合され、ジョイントスリーブ１５により軸方向と径方向に対する調芯が行われる。スリーブ１４内には、光結合を形成するスタブ１７が配され、レンズホルダ１６にはスタブ１７内の光ファイバから出射された信号光を集光しコリメート光に変換するコリメートレンズ１８が配される。コリメートレンズ１８からの信号光は、ブッシュ２３内に設けられた光学窓１９を経て、パッケージ１２内に導かれる。

パッケージ１２内には、コリメートレンズ１８から出射された波長多重光を波長に基づいてそれぞれの信号光に分波する光分波器（以下、Optical De-Multiplexer: O-DeMux）２６と、この分波された信号光（以下、分波信号光という）を、それぞれ底壁２１側に向けて反射するミラー２７と、が収容される。これらO-DeMux２６とミラー２７は、支持部材２４により底壁２１から離間して配置されたキャリア２５上に底壁２１に向き合うように実装される。

また、パッケージ１２内には、ミラー２７で反射された分波信号光をそれぞれ集光する複数の集光レンズが形成されたレンズアレイ２８と、上記集光レンズにより集光された分波信号光をそれぞれ受光する複数の受光素子として複数のフォトダイオード（ＰＤ）２９とが収容される。これらレンズアレイ２８及びＰＤ２９は、第１の実装基板３０及び第２の実装基板３１を介して底壁２１上に実装される。

上述のような部品から構成される光モジュール１０は、図２（Ｂ）に示すように、O-DeMux２６とミラー２７が、底壁２１から高さ方向に平行に離間したキャリア２５の実装面に実装される。そして、レンズアレイ２８とＰＤ２９は、キャリア２５の下方に形成される空間を利用して、上下方向に配列される。すなわち、ミラー２７とレンズアレイ２８とＰＤ２９は、パッケージ１２内の上下方向に重なっており、底壁２１上に部品搭載スペースを生む。このスペースに、ＰＤ２９の信号を増幅するプリアンプ回路であるＩＣ部品３２をＰＤ２９に近接して配置することが可能となる。

図３は、O-DeMux２６とミラー２７を説明するための図であり、図３（Ａ）はキャリア２５上に実装されたO-DeMux２６とミラー２７の斜視図、図３（Ｂ）は同平面図である。

O-DeMux２６は、図３（Ａ）に示すように、単一の反射部材２６ａと、波長透過帯域が互いに異なる複数の波長分割フィルタ２６ｂと、を、透明光学部材２６ｃにより一体化したものである。波長分割フィルタ２６ｂは、例えば、誘電多層膜（フィルタ群）で構成することができる。O-DeMux２６はキャリア２５の中央付近に実装される。ミラー２７は、O-DeMux２６により分波された複数の分波信号光をＰＤ２９に向けてその光軸を曲げるものであり、例えば、プリズムを採用することができ、その反射面２７ａをO-DeMux２６に向けてキャリア２５の後端部に実装される。キャリア２５は、O-DeMux２６とミラー２７を実装する。なお、図３（Ｂ）に示すように、入射した波長多重光を順次それぞれの波長分割フィルタ２６ｂに導くため、O-DeMux２６はキャリア２５の前端に対して有意な角度をもって搭載される。

具体的には、図３（Ｂ）に示すように、互いに異なる複数の波長（λ１、λ２、λ３、λ４）の信号光を含む入力光がO-DeMux２６に入射されると、まず１番目に配列された波長分割フィルタ２６ｂに入射し、波長λ１の信号光は透過するが、その他の波長の信号光（λ２、λ３、λ４）は反射される。この反射された信号光は、反射部材２６ａにより２番目の波長分割フィルタ２６ｂに入射し、波長λ２の信号光は透過し、その他の波長の信号光（λ３、λ４）は反射される。以下、同様に透過と反射を繰り返して、入力波長多重光は、波長が異なる複数の信号光に分波される。分波された信号光は、ミラー２７の反射面２７ａにより反射されて、上述したようにレンズアレイ２８を経てＰＤ２９で受光される。このように、本光モジュール１０に係るO-DeMux２６では、波長多重光に含まれる信号光を順次波長分割フィルタ２６ｂにより分割し、さらに、それぞれの波長分割フィルタ２６ｂがO-DeMux２６の光入力ポートに対して物理的に異なる位置に配置されているため、それぞれの波長分割フィルタ２６ｂに一様に光を入射させるために、入力波長多重光はコリメート光でなくてはならない。コリメート光学系では多重反射を繰り返しても迷光強度が減少せず、さらに、本光モジュール１０のように複数の信号光を処理する場合には、隣接チャンネル間のクロストークも光モジュールの性能を大きく左右する。

図４及び図５は、レンズアレイ２８とＰＤ２９を説明する図である。レンズアレイ２８は、図４に示すように、複数のレンズ２８ａが透明なガラス基板２８ｂと一体に形成されたものである。各ＰＤ２９は、入力光を後述の受光層に結合するモノリシックレンズ２９ａを一方の面に有し、その他に後述の受光層２９ｂや反射層２９ｃ、電極２９ｄ（図５（Ｂ）参照）を有し、電極２９ｄはモノリシックレンズ２９ａの形成面とは反対側の面に設けられている。

第１の実装基板３０は、各ＰＤ２９の電極２９ｄに対応する金属パターン（不図示）を有しており、該金属パターン上にＰＤ２９が固定される。また、第１の実装基板３０の両端には、角柱状のポスト３３を固定するため、ポスト３３の底面と略同じ形状の金属パターン（不図示）が形成されている。この金属パターン上に、底面に金属メッキが施されたポスト３３が固定され、該ポスト３３上にレンズアレイ２８が固定される。

さらに、ＰＤ２９について説明する。ＰＤ２９は、図５（Ａ）に示すように、いずれかの波長分割フィルタ２６ｂを透過し、ミラー２７により反射されレンズアレイ２８の集光レンズにより集光された分波信号光を受信する。ＰＤ２９は、図５（Ｂ）に示すように、モノリシックレンズ２９ａが受光しコリメート光とした分波信号光を受光し電気信号に変換する受光層２９ｂを有し、受光層２９ｂで得られた電気信号をＰＤ２９外に出力するために、モノリシックレンズ２９ａの形成面とは反対側の面に電極２９ｄを有する。さらに、ＰＤ２９は、受光層２９ｂを挟んでモノリシックレンズ２９ａとは反対側に位置する反射層２９ｃ、とを有する。

ＰＤ２９に入射したビームは受光層２９ｂでその全てが吸収され、光電流に変換されるわけではない。これは光吸収の理論式（ｅｘｐ（−αｔ）、α：吸収係数（長さの逆数の次元）、ｔ：吸収媒体の深さ位置）が指数関数で与えられることからも明らかである。高速応答を意図するＰＤでは、受光層に印加される電界強度を大きくし、キャリアのドリフト速度を向上させることが一般的に採用される。そのため、受光層厚を厚くしてトータル吸収度を大きくすることは、電界強度を緩和することになり、採用することはできない。受光層を薄くすることは、上記式からも明らかな様に吸収光量の低下、すなわち、受信感度の低下につながる。その一解決方法として、一般に受光層下に上記反射層を設ける方法が採用されている。本ＰＤ２９においても、受光層２９ｂで吸収しきれず透過したフォトンを反射層２９ｃで再び受光層２９ｂ内に戻し、受光感度を高めている。

ＰＤ２９の作製方法として以下の方法が考えられる。例えば、半導体基板の一方の面に受光層２９ｂとしてのＰＤ活性層をエピタキシャル成長により形成し、その後、同様にエピタキシャル成長により受光層２９ｂ上に反射層２９ｃを形成し、そして、反射層２９ｃの形成面とは反対側の面にモノリシックレンズ２９ａを形成した後、電極２９ｄを金属メッキ等により形成する方法である。反射層２９ｃは、金属膜を蒸着して形成してもよい。

以上の各部を備える光モジュール１０では、レンズアレイ２８の集光レンズの焦点位置Ｐ１が図５に示すようにデフォーカスされている。また、分割信号光のミラー２７への入射光軸Ｌ１と、ミラー２７で反射された分割信号光の光軸Ｌ２は９０°からオフセットした角を為している。そのため、ＰＤ２９の受光層２９ｂの光軸Ｘ１が、ミラー２７で反射された分割信号光の光軸Ｌ２に対し、すなわち、ＰＤ２９へ入射する分波信号光の光軸Ｘ２に対し傾いているので、受光層２９への入射光軸Ｘ３に対し上記光軸Ｘ１が傾いている。したがって、モノリシックレンズ２９ａの表面での反射光や、反射層２９ｃで反射され受光層２９ｂで吸収されなかった光が、分割信号光の光軸Ｌ２に一致することがないので、モノリシックレンズ２９ａ表面で反射された光、あるいは受光層２９で吸収しきれなかった光が再度ミラー２７で反射され、O-DeMux２６を経由してレセプタクル１１に結合しているファイバに戻ることがない。

なお、レンズアレイ２８の集光レンズの焦点位置Ｐ１は、分割信号光がモノリシックレンズ２９ａによりコリメート光に変換されて受光層２９ｂに入力する位置が好ましい。また、上記入射光軸Ｌ１と、上記反射された分割信号光の光軸Ｌ２の光軸とが９０°からオフセットした角を為すための方法としては、キャリア２５へのミラー２７の搭載角を調整する方法がある。また、その調整方法としては、キャリア２５とミラー２７との間に傾斜面を有するサブキャリアを設ける方法、キャリア２５に傾斜面を設ける構成がある。

本実施形態の光モジュールでは、ミラー２７は複数あるＰＤ２９に対して共通であるため、複数の分割信号光についての上記入射光軸Ｌ１に対する上記反射された分割信号光の光軸Ｌ２の角度を一括で調整できる。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る光モジュールの一例を説明するための図である。本実施形態に係る光モジュールは、第１の実施形態に係る光モジュールと同様に、分割信号光がモノリシックレンズ２９ａによりコリメート光に変換されて受光層２９ｂに入力される位置に、レンズアレイ２８の集光レンズの焦点位置Ｐ１が存在する。しかし、本実施形態に係る光モジュールでは、第１の実施形態に係る光モジュールとは異なり、分割信号光のミラー２７への入射光軸Ｌ１（図５参照）とミラー２７に反射された分割信号光の光軸Ｌ２とが９０°の角を為しているため、ＰＤ２９のモノリシックレンズ２９ａの光軸Ｘ４が、ＰＤ２９へ入射する分波信号光の光軸Ｘ２と平行となっている。ただし、上記二つの光軸、Ｘ２とＸ４はオフセットしている。そのため、受光層２９への入射光軸Ｘ３に対しＰＤ２９の受光層２９ｂの光軸Ｘ１が傾いている。したがって、ＰＤ２９のモノリシックレンズ２９ａでの反射光や、反射層２９ｃで反射され受光層２９ｂで吸収されなかった反射光が、分割信号光と同じ経路を該分割信号光と反対方向に伝搬することがないので反射光が再び光ファイバに戻ることが避けられる。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る光モジュールの一例を説明するための図である。本実施形態に係る光モジュールは、第２の実施形態に係る光モジュールと同様に、分割信号光のミラー２７への入射光軸Ｌ１（図５参照）とミラー２７に反射された分割信号光の光軸Ｌ２とが９０°の角を為している。しかし、本実施形態に係る光モジュールは、図７に示すように、ＰＤ２９の受光層２９ｂの光軸Ｘ１が、ＰＤ２９へ入射する分波信号光の光軸Ｘ２に対して傾くように、ＰＤ２９がチルトされて実装されている。そのため、受光層２９への入射光軸Ｘ３に対しＰＤ２９の受光層２９ｂの光軸Ｘ１が傾いている。したがって、ＰＤ２９のモノリシックレンズ２９ａでの反射光や、反射層２９ｃで反射され受光層２９ｂで吸収されなかった反射光が、再び光ファイバに戻ることはない。

なお、本実施形態においても、分割信号光がモノリシックレンズ２９ａによりコリメート光に変換されて受光層２９ｂに入力される位置に、レンズアレイ２８の集光レンズの焦点位置Ｐ１が存在する。ＰＤ２９を上述のようにチルトさせて実装する方法としては、第１の実装基板３０とＰＤ２９との間に傾斜面を有するサブ実装基板を設ける方法、第１の実装基板３０に傾斜面を設ける方法が考えられる。チルト（傾斜）の角度は２〜１０°であることが好ましい。

上述の実施形態の光モジュールの効果としては以下のものもある。すなわち、モノリシックレンズを使用する構成であるため、ＰＤの受光層の径を小さくし寄生容量を小さくできるのでＰＤの応答性能を向上させることができる。また、本発明に係る光モジュールのように波長分割フィルタを用いる構成では、該フィルタの波長分離性能を損なわせないために、該フィルタに入射、透過する光ビームについて実質コリメート光が必須とされており、迷光のビーム径が拡がることがないため、集光光学系を採用する光モジュールに比較して迷光の影響を強く受けてしまう。しかし、上述の実施形態に係る光モジュールでは、ＰＤ反射層で反射した光がレンズアレイ２８の集光レンズによりコリメート光に変換された上で迷光となったとしても、該迷光が入力光ファイバに結合することがない。

なお、以上の説明では、各分波信号光を受光するＰＤは別体であったが、集光レンズアレイと同様に複数のＰＤをアレイ状に一体化した状態で用いるようにしてもよい。

１…光モジュール、１０…光モジュール、１１…レセプタクル、１２…パッケージ、１３…端子部、１４…スリーブ、１５…ジョイントスリーブ、１６…レンズホルダ、１７…スタブ、１８…コリメートレンズ、１９…光学窓、２０…フレーム、２１…底壁、２２…蓋、２３…ブッシュ、２４…支持部材、２５…キャリア、２６…O-DeMux、２６ａ…反射部材、２６ｂ…波長分割フィルタ、２６ｃ…透明光学部材、２７…ミラー、２７ａ…反射面、２８…レンズアレイ、２８ａ…レンズ、２８ｂ…ガラス基板、２９…ＰＤ。

Claims (5)

1. 互いに波長の異なる複数の信号光を含む入力光をコリメート光に変換するコリメートレンズと、
   前記コリメート光についてそれぞれの信号光が有する波長に基づいて前記信号光に分割する波長分割フィルタと、
   前記波長分割されたそれぞれの信号光を反射するミラーと、
   前記反射された複数の信号光をそれぞれ集光する複数の集光レンズと、
   前記集光されたそれぞれの信号光を受光する複数の受光素子と、を備え、
   該複数の受光素子それぞれは、受光した信号光を電気信号に変換する受光層と、前記集光された信号光を前記受光層に結合するモノリシックレンズと、前記受光層を挟んで前記モノリシックレンズとは反対側に位置する反射層を有し、
   前記集光された前記信号光は、前記モノリシックレンズによりコリメート光に変換されており、
   前記受光層に入射する光の光軸は、当該受光層の光軸に対して傾いている波長多重光受信モジュール。
2. 前記受光層の光軸、前記モノリシックレンズの光軸、前記集光レンズの光軸は互いに平行であり、
   前記分割された信号光の前記ミラーへの入射光軸と、前記ミラーにより反射された当該信号光の光軸とが９０°と異なる角を為している請求項１に記載の波長多重光受信モジュール。
3. 前記集光された信号光の光軸と前記集光レンズの光軸と前記モノリシックレンズの光軸は平行であり、且つ前記集光レンズの光軸と前記モノリシックレンズの光軸はオフセットされている請求項１に記載の波長多重光受信モジュール。
4. 前記集光された信号光の光軸と前記集光レンズの光軸は一致しており、前記モノリシックレンズの光軸と前記受光層の光軸は一致しており、かつ、前記受光層の光軸は前記一致した信号光の光軸と前記集光レンズの光軸に対して傾斜している請求項１に記載の波長多重光通信モジュール。
5. 前記傾斜の角度は２〜１０°である請求項４に記載の波長多重光受信モジュール。

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