JP7201277B2 - 半導体受光モジュール - Google Patents

Description

本発明は，連続する複数の波長に対する受光感度の変動（リップル）が少ない半導体受光モジュールに関し、特に光ファイバーからの入射光をモジュール側の球面レンズを介して半導体受光部に結合させる半導体受光モジュールに関する。

光通信分野では、情報量の増加に伴って伝送容量を大容量化する技術開発が進められてきた。大容量化の為の波長多重方式（ＷＤＭ）がある。この方法は一つの波長に高速の信号を載せ、連続する多数の波長(約１５５０～１６１０ｎｍ)を用いることで伝送容量を高める方法である。ＷＤＭでは、１００波長程度ある入力波長ごとに異なる出力ポートに接続するスイッチ機能と、波長ごとに透過光パワーレベルを調整する減衰機能が必要となる。この機能を有する部品は波長選択スイッチ（Wavelength Selective Switch, ＷＳＳ）と呼ばれる。

ＷＳＳ内では波長とポートの組合せごとにビームの経路は異なるため、まさにビームが飛び交っている。そのすべての経路に対して低損失かつ安定でなければならず、精密な減衰を実現するため、各波長の光出力をモニターする半導体受光モジュールにはどの波長（概ね１５５０－１６１０ｎｍの範囲）に対しても同じ感度を有することが求められる。通常この波長範囲で受光モジュール感度バラつきは２％以内（あるいは０．１ｄＢ以内）が要求される。

特許文献１の半導体レーザ装置においては、レーザ素子から受光素子への入射光と受光素子で反射した反射光との干渉を防止するために、受光素子を入射光に対して直交方向から傾斜した傾斜状に配置している。

特許文献２の半導体受光装置においては、光ファイバーからの入射光と、受光面からの反射光との干渉によるノイズを抑制するため、入射光に対する直交方向に対して受光面を傾斜させている。

特許文献３には、溶融ガラスの圧力成形で半導体用レンズを製作する技術が記載されている。特許文献４の半導体レーザモジュールにおいては、半導体レーザから光ファイバーへ入射する入射光が光ファイバー先端で反射して半導体レーザへ戻ることで発生するノイズを抑制するために、光ファイバー先端を斜めに形成している。

図１３はレンズを備えた一般的な半導体受光モジュールを模式的に拡大図示した断面図である。１００は溶融ガラスの圧力成形で作成されたレンズである。入射側レンズ面１０２の曲率半径はＲ１，出射側レンズ面１０４の曲率半径はＲ２とする。このレンズに対向するように半導体受光素子１０６が適当な高さに載置されている。出射側レンズ面１０４の下面から半導体受光素子１０６の表面までの距離は数百ミクロン程度である。この距離を本明細書ではLGAPと称することとする。具体例を上げると、Ｒ１＝８３６μｍ、Ｒ２＝３５００μｍに対し、LGAPは２５０μｍである。この数字はレンズの屈折率を１．４５とした場合である。

出射側レンズ面１０４（反射率ｒ１）と半導体受光素子１０６の表面（反射率ｒ２）は、いわゆる共振器を形成しており、出射側レンズ面１０４を通過した光は、半導体受光素子１０６の表面と出射側レンズ面１０４との間で多重反射を惹起する。多重反射が生じると、次の数式（１）で計算した相対感度（図１４参照）のように、波長λの変動に対して半導体受光モジュールの感度が周期的に変化することになる（リップル）。

このリップルは感度の平坦化を求められるＷＤＭシステムでは致命的な欠陥となる。図１４からわかるように反射率ｒ１又はｒ２が大きくなるとリップルの振幅が大きくなる。

特開昭５８－２１８８９号公報 特開２０１２－１２９３９０号公報 特開昭５６－１９６８５号公報 特開昭６１－１３８２１６号公報

図１３、図１４に示す先行技術において、反射が無くなればリップルが消滅することは上記の数式（１）から明らかであるが、リップルを２％以下に抑えるためには、反射率は０．１％以下が必要となる。この値を工業的に安定的製造することは極めて高度な技術が必要となり、製造工程に組み込むことは困難である。

特許文献２を参考にすると半導体受光素子を光軸に対し傾きをもって組み立てることも解決策の一つと考えられるが、半導体受光素子を傾けて搭載するには、傾斜マウントに適したマウント装置の導入が必要であり、あるいはLGAPが数百μｍと小さいため、半導体受光素子と出射側レンズ面が衝突する可能性も出てくる。
なお、特許文献４では、入射ファイバーの先端を斜めにするアイデアが提示されているが，レンズに関しては何も言及されていない。

本発明の目的は、先行技術における上述の課題を解決しつつ、必要な波長範囲で感度のリップルが少ない半導体受光モジュールを提供することである。

請求項１の半導体受光モジュールは、入射側レンズ面の曲率半径がＲ１、出射側レンズ面の曲率半径がＲ２である１つの球面レンズと半導体受光素子を有し、前記球面レンズにより入射光を前記半導体受光素子の受光部に集光するように構成した半導体受光モジュールにおいて、前記曲率半径Ｒ１＜曲率半径Ｒ２であり、前記球面レンズの出射光の一部が前記受光部で反射して発生する反射光が前記出射側レンズ面を出射光が透過した領域に入射しないように、前記入射側レンズ面の光軸を前記半導体受光素子の受光部の中心を通る入射光の光軸と平行に設定し、且つ前記出射側レンズ面の光軸を前記入射側レンズ面の光軸に対して設定角度以上傾けたことを特徴としている。

上記の構成によれば、前記出射側レンズ面の光軸を前記入射側レンズ面の光軸に対して設定角度以上傾けるため、球面レンズの出射光の一部が受光部で反射して発生する反射光が前記出射側レンズ面を出射光が通過した領域に入射しないようになる。そのため、連続する複数の波長の入射光に対するリップルがほぼ解消され、半導体受光モジュールの感度バラツキは２％以内に低減する。

請求項２の半導体受光モジュールは、入射側レンズ面の曲率半径がＲ１、出射側レンズ面の曲率半径がＲ２である１つの球面レンズと半導体受光素子を有し、前記球面レンズにより入射光を前記半導体受光素子の受光部に集光するように構成した半導体受光モジュールにおいて、前記曲率半径Ｒ１＜曲率半径Ｒ２であり、前記球面レンズの出射光の一部が前記受光部で反射して発生する反射光が前記出射側レンズ面を出射光が透過した領域に入射しないように、前記入射側レンズ面の光軸と前記出射側レンズ面の光軸を前記半導体受光素子の受光部の中心を通る入射光の光軸と平行に設定し、且つ前記出射側レンズ面の光軸及び頂点を前記入射側レンズ面の光軸に対して光軸直交方向へ所定距離以上シフトさせたことを特徴としている。

上記の構成によれば、前記出射側レンズ面の頂点を前記入射側レンズ面の光軸に対して光軸直交方向へ所定距離以上シフトさせたため、球面レンズの出射光の一部が前記受光部で反射して発生する反射光が前記出射側レンズ面を出射光が通過した領域に入射しなくなる。
それ故、請求項１と同様に、連続する複数の波長の入射光に対するリップルがほぼ解消され、半導体受光モジュールの感度バラツキは２％以内に低減する。

請求項３の半導体受光モジュールは、請求項１の発明において、前記出射側レンズ面から前記受光部までの距離が２５０μｍ、前記受光部の直径８０μｍとした場合に、前記設定角度は２．５度であることを特徴としている。
請求項４の半導体受光モジュールは、請求項２の発明において、前記出射側レンズ面の曲率半径Ｒ２が１５００μｍ～３５００μｍ、前記出射側レンズ面から前記受光部までの距離が２５０μｍ、前記受光部の直径８０μｍとした場合に、前記所定距離は１５０μｍであることを特徴としている。

上記のように、本発明によれば、前記のような効果がえられる。

本発明の実施例１に係る半導体受光モジュールの縦断面図である。 球面レンズと入射光と受光部 キャップに軟化ガラスをセットした状態を示す縦断面図である。 上成形型と下成形型とで軟化ガラスを成形する状態を示す縦断面図である。 出射側レンズ面の傾き角と受光部からの反射光が出射側レンズ面を出射光が透過した領域に重なる割合の関係を示す特性図である。 傾き角が０．５°のときの光線の透過形態を示す球状レンズの縦断面図である。 図６の場合に出射側レンズ面における出射光および受光部で反射した光線の光跡を示す説明図である。 傾き角が５°のときの光線の透過形態を示す球状レンズの縦断面図である。 図８の場合に出射側レンズ面における出射光および受光部で反射した光線の光跡を示す説明図である。 Ｒ２を変化させた場合の図５と同様の特性図である。 実施例２に係る半導体受光モジュールの縦断面図である。 実施例２に係る出射側レンズ面の光軸シフト量と受光部からの反射光が出射側レンズ面を出射光が透過した領域に重なる割合の関係を示す特性図であってＲ２を変化させた場合の特性図である。 従来技術に係る半導体受光モジュールの縦断面図である。 従来技術に係る波長と相対感度の関係を示す線図である。

次に、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

図１、図２に示すように、半導体受光モジュール１は、例えば、光通信分野における波長選択スイッチに用いられる半導体受光モジュールであるが、その他の用途にも採用可能なものである。半導体受光モジュール１は、光ファイバー３０及びフェルール３１の先端に対向状に配置されて、光ファイバー３０から受信した光信号を電気信号に変換するものである。

この半導体受光モジュール１は、ホウ珪酸ガラス製の球面レンズ２と、この球面レンズ２との間に所定の隙間LGAPを空けて対向する半導体受光素子からなる受光部３と、受光部３を取付けるコバール製の取付台４及びこの取付台４から下方へ延びるコバール製のリード線５と、球面レンズ２を支持するコバール製の筒状のキャップ６と、このキャップ６の下端フランジ６ｂを支持するコバール製のベース板７とを備え、リード線５はベース板７の穴７ａを貫通して下方へ延びている。

前記球面レンズ２の入射側レンズ面１０の曲率半径はＲ１であり、入射側レンズ面１０の光軸１０ａは光ファイバー３０から入射する入射光１１の光軸１１ａと平行で且つ同心状に配置されている。入射側レンズ面１０の光軸１０ａの位置で、出射側レンズ面１２と受光部３の間には隙間LGAPがある。受光部３の中心は入射光１１の光軸１１ａと一致している（図２参照）。

球面レンズ２の出射側レンズ面１２の曲率半径はＲ２であり、入射側レンズ面１０の曲率半径はＲ１は出射側レンズ面１２の曲率半径はＲ２よりも小さく設定されている。球面レンズ２から出射する出射光１３の一部が受光部３で反射して発生する反射光１３ａが出射側レンズ面を出射光が透過した領域に入射しないように、出射側レンズ面１２の光軸１２ａは、入射側レンズ面１０の光軸１０ａに対して設定角度θ以上傾けられている。尚、出射側レンズ面１２の反射率はｒ１であり、受光部３の反射率はｒ２である。

本実施例の場合、例えば、曲率半径Ｒ１は８３６μｍ、曲率半径Ｒ２は３５００μｍ、隙間LGAPが２５０μｍ、受光部３の直径は８０μｍ、光ファイバー３０から入射する入射光１１の直径が１５０μｍ、球面レンズ２の屈折率１．４５である。但し、上記の数値は例示であって、これらの数値に限定されるものではない。但し、図５に基づいて後述するように、設定角度θは２．５度である。

図２に示すように、入射光１１が球面レンズ２に入射し、入射側レンズ面１０で屈折して、入射光１１の直径が徐々に細く集光され、出射側レンズ面１２において屈折してから、大部分の出射光１３は受光部３に集光する。但し、出射光１３の一部は受光部３の表面で反射する。しかし、出射側レンズ面１２の光軸１２ａが入射側レンズ面１０の光軸１０ａに対して２．５度以上傾けられているため、出射側レンズ面１２での反射光１３ａは出射側レンズ面を出射光が通過した領域へ再び入射することはなく、同じ光路を往復することがないため多重反射が防止されることになる。

次に、上記の球面レンズ２とキャップ６とからなるレンズユニット１７を製作する方法について図３、図４に基づいて説明する。
図３に示すように、前記コバール製のキャップ６（外径約１７００μｍ）の上端係合部６ａの開口部６ｈに軟化したホウ珪酸ガラスの軟化ガラス体１４を載せて支持させる。次に、図４に示すように、出射側レンズ面１２を成形するためのコバール製の下型１５であって、前記のように入射側レンズ面１０の光軸１０ａに対して２．５度以上傾斜させた出射側レンズ面１２を成形可能な下型１５をキャップ６の内部の軟化ガラス体１４の下方の位置に摺動自在に挿入する。

上記と並行して、入射側レンズ面１０を成形するためのコバール製の上型１６を軟化ガラス体１４の上方に対向させてから、図示外の押圧手段によって下型１５と上型１６とを同時に相接近方向へ押圧して、軟化ガラス体１４を圧縮成形後に冷却する。その後、下型１５と上型１６とを取り外すことにより、球面レンズ付のレンズユニット１７を製作することができる。

図５は、入射側レンズ面１０の光軸１０ａに対する出射側レンズ面１２の光軸１２ａの傾き角θを０～４度の範囲で変化させ、受光部からの反射光が出射側レンズ面を出射光が透過した領域に重なる割合をコンピュータによりシミュレーションした結果を示すものである。
傾き角θが０～２．５度の範囲では重なる割合が数％以上になり、特に傾き角θが１度以下の場合には重なる割合が５０％以上となり、受光部３と出射側レンズ面１２との間で多重反射が起こっていることが分かる。傾き角θが２．５度以上のときには、重なる割合が０％に収束することから、多重反射を防止するためには、傾き角θを２．５度以上に設定することが必要である。

図６は傾き角θが０．５度の場合の球面レンズ２と、入射光１１及び出射光１３と、受光部３の縦断面図を示し、図７は図６の場合に出射側レンズ面１２の１００μｍの範囲における出射光および受光部３で反射した光線の光跡の裏面図を示す。この図７において円１８は受光部３で１回反射して出射側レンズ面に入射した反射光の光跡を示し、円１９は受光部３と出射側レンズ面１２で３回反射して出射側レンズ面１２に入射した反射光の光跡を示す。

図８は傾き角θが５度の場合の球面レンズ２と、入射光１１及び出射光１３と、受光部３の縦断面図を示し、図９は図８の場合に出射側レンズ面１２の２００μｍの範囲における出射光および受光部３で反射した光線の光跡の裏面図を示す。図９において円２０は受光部３で１回反射して出射側レンズ面に入射した反射光の光跡を示し、円２１は受光部３と出射側レンズ面１２で３回反射して出射側レンズ面１２に入射した反射光の光跡を示す。
図８においても、出射光１３が受光部３の中心近傍位置に集光していることが分かる。

図１０は、出射側レンズ面１２の曲率半径を１５００μｍ、２５００μｍ、３５００μｍの３通りに変化させて、図５と同様に受光部３からの反射光が出射側レンズ面を出射光が透過した領域に重なる割合をコンピュータによりシミュレーションした結果を示すものである。出射側レンズ面１２の曲率半径Ｒ２が変化した場合にも、傾き角θが２．５度以上では、重なる割合は０％に収束することが分かる。

次に、以上説明した半導体受光モジュール１の作用、効果について説明する。
出射側レンズ面１２の光軸１２ａを入射側レンズ面１０の光軸１０ａに対して設定角度θ（但し、θ＝２．５度）以上傾けるため、球面レンズ２の出射光１３の一部が受光部３で反射して発生する反射光１３ａが出射側レンズ面を出射光が透過した領域に入射しないようになる。そのため、連続する複数の波長λの入射光に対するリップルがほぼ解消され、半導体受光モジュール１の感度バラツキは２％以内に低減させることができる。

次に、実施例２に係る半導体受光モジュール１Ａについて説明する。
但し、前記実施例１と同様の構成要素に同一の符号を付して説明を省略し、主に異なる構成についてのみ説明する。
前記実施例１では、出射側レンズ面１２の光軸１２ａを入射側レンズ面１０の光軸１０ａに対して設定角度θ以上傾けたが、入射光１１の光軸１１ａの位置（つまり、入射側レンズ面１０の光軸１０ａの位置）で、出射側レンズ面１２を傾けた状態に形成すれば実施例１と同様の作用効果を得ることができる。

図１１に示すように、この半導体受光モジュール１Ａは、入射側レンズ面１０の曲率半径がＲ１、出射側レンズ面１２の曲率半径がＲ２である球面レンズ２Ａを有し、入射側レンズ面１０の光軸１０ａと出射側レンズ面１２Ａの光軸１２ｂが入射光の光軸１１ａと平行に設定され、球面レンズ２Ａにより入射光を半導体受光素子の受光部３に集光するように構成した半導体受光モジュールである。

前記曲率半径Ｒ１＜曲率半径Ｒ２であり、球面レンズ２Ａの出射光の一部が受光部３で反射して発生する反射光が出射側レンズ面を出射光が透過した領域に入射しないように、出射側レンズ面１２Ａの頂点１２ｃを入射側レンズ面１０の光軸１０ａに対して光軸直交方向へ所定距離Ｓ以上シフトさせた。

図１２は、出射側レンズ面１２Ａの曲率半径を１５００μｍ、２５００μｍ、３５００μｍの３通りに変化させて、出射側レンズ面の頂点１２ｃを入射側レンズ面１０の光軸１０ａに対して光軸直交方向へシフトさせたシフト距離を０～２００μｍの範囲で変化させた場合に、受光部３からの反射光が出射側レンズ面を出射光が透過した領域に重なる割合をコンピュータによりシミュレーションした結果を示すものである。出射側レンズ面１２Ａの曲率半径Ｒ２が変化した場合にも、シフト距離が１５０μｍ以上では、重なる割合は０％に収束することが分かる。

このように、出射側レンズ面１２Ａの頂点１２ｃを入射側レンズ面１０の光軸１０ａに対して光軸直交方向へ１５０μｍ以上シフトさせることが必要である。
尚、上記の半導体受光モジュール１Ａの作用、効果は、前記の半導体受光モジュール１と同様であるので説明を省略する。

次に、前記実施例を部分的に変更する例について説明する。
（１）図３と図４では、１組の半導体受光モジュール1を製作する場合を例にして説明したが、実際には直列状に並べた複数のキャップ６及び下型１５と、直列状に並べた複数の上型１６とを用いて、直列状に並べた複数の半導体受光モジュールを同時に製作してもよい。

（２）前記半導体受光モジュール1，１Ａにおけるキャップ６の構造やベース板７の構造は一例にすぎず、種々の構造を採用可能である。
また、実際にはキャップ とベース板 に対して管部材 と取付台 と受光部 を高さ方向に位置決めする位置決め機構も設けられるが、ここでは図示省略している。
（３）その他、当業者ならば本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態も包含するものである。

１，１Ａ 半導体受光モジュール
２，２Ａ 球面レンズ
３ 受光部
１０ 入射側レンズ面
１０ａ 入射側レンズ面の光軸
１１ 入射光
１１ａ 入射光の光軸
１２，１２Ａ 出射側レンズ面
１２ａ，１２ｂ 出射側レンズ面の光軸
１３ 出射光
１３ａ 反射光

Claims (4)

1. 入射側レンズ面の曲率半径がＲ１、出射側レンズ面の曲率半径がＲ２である１つの球面レンズと半導体受光素子を有し、前記球面レンズにより入射光を前記半導体受光素子の受光部に集光するように構成した半導体受光モジュールにおいて、
   前記曲率半径Ｒ１＜曲率半径Ｒ２であり、
   前記球面レンズの出射光の一部が前記受光部で反射して発生する反射光が前記出射側レンズ面を出射光が透過した領域に入射しないように、前記入射側レンズ面の光軸を前記半導体受光素子の受光部の中心を通る入射光の光軸と平行に設定し、且つ前記出射側レンズ面の光軸を前記入射側レンズ面の光軸に対して設定角度以上傾けたことを特徴とする半導体受光モジュール。
2. 入射側レンズ面の曲率半径がＲ１、出射側レンズ面の曲率半径がＲ２である１つの球面レンズと半導体受光素子を有し、前記球面レンズにより入射光を前記半導体受光素子の受光部に集光するように構成した半導体受光モジュールにおいて、
   前記曲率半径Ｒ１＜曲率半径Ｒ２であり、
   前記球面レンズの出射光の一部が前記受光部で反射して発生する反射光が前記出射側レンズ面を出射光が透過した領域に入射しないように、前記入射側レンズ面の光軸と前記出射側レンズ面の光軸を前記半導体受光素子の受光部の中心を通る入射光の光軸と平行に設定し、且つ前記出射側レンズ面の光軸及び頂点を前記入射側レンズ面の光軸に対して光軸直交方向へ所定距離以上シフトさせたことを特徴とする半導体受光モジュール。
3. 前記出射側レンズ面から前記受光部までの距離が２５０μｍ、前記受光部の直径８０μｍとした場合に、前記設定角度は２．５度であることを特徴とする請求項１に記載の半導体受光モジュール。
4. 前記出射側レンズ面の曲率半径Ｒ２が１５００μｍ～３５００μｍ、前記出射側レンズ面から前記受光部までの距離が２５０μｍ、前記受光部の直径８０μｍとした場合に、前記所定距離は１５０μｍであることを特徴とする請求項２に記載の半導体受光モジュール。

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