JPH05264869A - 光結合される光ファイバと受光素子の相対的位置関係の調整方法及び評価方法並びにこれらの方法の実施に使用する装置 - Google Patents

光結合される光ファイバと受光素子の相対的位置関係の調整方法及び評価方法並びにこれらの方法の実施に使用する装置

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JPH05264869A
JPH05264869A JP4062568A JP6256892A JPH05264869A JP H05264869 A JPH05264869 A JP H05264869A JP 4062568 A JP4062568 A JP 4062568A JP 6256892 A JP6256892 A JP 6256892A JP H05264869 A JPH05264869 A JP H05264869A
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陽一 及川
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Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は光結合される光ファイバと受光素子の
相対的位置関係の調整方法及び評価方法並びにこれらの
方法の実施に使用する装置に関し、調整、評価を容易に
且つ正確に行い得るようにすることを目的とする。 【構成】裏面入射型の受光素子２に対して光ファイバ２
２を走査して、反射帰還光の強度分布を得る第１のステ
ップと、この強度分布における測定強度が増大する領域
を基準として光ファイバ２２と受光素子２の相対的位置
関係を把握又は特定する第２のステップと、この把握又
は特定された位置関係に基づいて光ファイバと受光素子
の所要の位置関係を得る第３のステップとから構成す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】（目次） 産業上の利用分野 従来の技術 発明が解決しようとする課題 課題を解決するための手段 作用 実施例 （１）光ファイバと受光素子の相対的位置関係の調整方
法 光ファイバの角度調整方法 （ア）光ファイバの端部が該端部からファイバ軸方向に
光が出射するように加工されている場合 （イ）光ファイバの端部が該端部からファイバ軸方向と
概略垂直な方向に光が出射するように加工されている場
合 光ファイバと受光素子の間の距離の調整方法 （２）光ファイバと受光素子の相対的位置関係の評価方
法 発明の効果
【０００２】
【産業上の利用分野】本発明は、光結合される光ファイ
バと受光素子の相対的位置関係の調整方法及び評価方法
並びにこれらの方法の実施に使用する装置に関する。
【０００３】近年、遠距離通信の需要に応じて、通信シ
ステムに求められる情報伝送速度は増加する傾向にあ
る。特に、光通信システムには、マルチギガビット級の
伝送速度が必要となりつつあり、この伝送速度を実現す
る光通信装置の開発が要求されている。例えば、光受信
機においては、使用される受光素子自身の高速化が不可
欠である。この種の高速化に適した受光素子にあって
は、素子キャパシタンスを低下させるために一般的に受
光部の径が小さく、また、高速光伝送路として使用され
るシングルモードファイバの径も小さいので、光ファイ
バと受光素子を光結合するに際しては、これらの相対的
位置関係についての高精度な調整、評価の手法が要求さ
れている。
【０００４】
【従来の技術】光ファイバと受光素子の光結合効率は、
これらの間の相対的位置関係に依存する。この相対的位
置関係のパラメータは、受光素子を固定してみたときに
は、光ファイバにおける光が出射する側の端部の三次元
座標系における位置と光ファイバが関与する少なくとも
２つの角度とである。この角度は、ファイバ軸方向に光
が出射するように加工されている端部を有する光ファイ
バである場合には、互いに直交する２つの基準面に対す
るファイバ軸の傾斜角度であり、ファイバ軸方向と概略
垂直方向に光が出射するように加工されている端部を有
する光ファイバである場合には、ファイバ軸を中心とし
た光ファイバの回転角度とファイバ軸の基準面に対する
傾斜角度とである。
【０００５】従って、最大光結合効率が得られるように
光ファイバと受光素子の相対的位置関係を調整しようと
する場合には、少なくとも５つのパラメータについての
調整が必要となり、極めて煩雑な作業が要求される。
【０００６】一方、光ファイバと受光素子の相対的位置
関係の経時変化等を評価する方法としては、従来、相対
的位置関係のずれによる光結合効率の変化を測定するよ
うにしたものが知られている。しかし、この場合、光結
合効率の許容範囲を表すトレランスカーブのエッジに光
ファイバを初期配置しておく必要があるので、この方法
は実用的でない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光結
合される光ファイバと受光素子の相対的位置関係の簡易
で実用的な調整及び評価方法を提供することである。
【０００８】また、これらの方法の実施に使用する装置
を提供することもこの発明の目的である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の光結合される光
ファイバと受光素子の相対的位置関係の調整方法は、受
光部の電極面と反対の側にレンズが設けられた裏面入射
型の受光素子に対して光ファイバを走査して、上記光フ
ァイバの端部から出射し上記電極面で反射して再び上記
端部から上記光ファイバに入射する光の強度分布を得る
第１のステップと、該強度分布における測定強度が増大
する領域を基準として上記光ファイバ２２と上記受光素
子２の相対的位置関係を把握又は特定する第２のステッ
プと、該位置関係に基づいて上記光ファイバ及び受光素
子のいずれか一方又は双方を変位させて上記光ファイバ
と上記受光素子の所要の位置関係を得る第３のステップ
とを含む。
【００１０】本発明の光結合される光ファイバと受光素
子の相対的位置関係の評価方法は、受光部の電極面と反
対の側にレンズが設けられた裏面入射型の受光素子に対
して光ファイバを走査して、上記光ファイバの端部から
出射し上記電極面で反射して再び上記端部から上記光フ
ァイバに入射する光の強度分布を得るステップと、該強
度分布における最大強度を与える位置の近傍に上記光フ
ァイバを位置させるステップと、上記光ファイバと上記
受光素子の相対的位置関係の経時変化の前後で、上記光
ファイバの端部から出射し上記電極面で反射して再び上
記端部から上記光ファイバに入射する光の測定強度を比
較するステップとを含む。
【００１１】本発明方法の実施に使用する本発明の装置
は、受光部の電極面と反対の側にレンズが設けられた受
光素子と該受光素子に光結合される光ファイバとを、該
受光素子及び光ファイバの相対的位置関係を調整し得る
ように支持する第１の手段と、上記光ファイバの第１の
端部から出射した光が上記受光素子に入射するように上
記光ファイバの第２の端部から光を入射させる第２の手
段と、上記第２の端部から出射した光の強度を検出する
第３の手段と、上記受光素子の光電流を検出する第４の
手段と、本発明方法を実行すべく上記強度及び光電流の
検出値に基づき上記第１の手段を制御する第５の手段と
を備えている。
【００１２】
【作用】受光部の電極面と反対の側にレンズが設けられ
た裏面入射型の受光素子に対して光ファイバを走査し
て、光ファイバの端部から出射し受光部の電極面で反射
して再び光ファイバに入射する光の強度分布を得ると、
測定強度が増大する領域が存在することが明らかになっ
た。
【００１３】また、発明者の解析の結果によると、この
測定強度が増大する領域の位置（ピーク位置に対応）
は、受光部の電極面への入射角度に依存することが明ら
かになった。従って、測定強度が増大する領域の出現位
置に基づいて、電極面への入射角度を知ることができる
ことになる。
【００１４】本発明においては、この原理に基づいて光
ファイバと受光素子の相対的位置関係が調整され或いは
評価される。
【００１５】
【実施例】以下本発明の実施例を図面に基づいて詳細に
説明する。図１は本発明を適用可能な光受信機の一例を
示す主要部の破断側面図である。裏面入射型の受光素子
２は、半田材等からなるバンプ４を用いてフリップチッ
プボンディングにより基板６に固定されている。基板６
は放熱用のブロック８の正面に固着され、ブロック８の
上面にはプリアンプＩＣ等の電子回路部品１０が固着さ
れている。基板６と電子回路部品１０の接続はボンディ
ングワイヤ１２によりなされる。ブロック８はパッケー
ジ１４の内部に固定される。
【００１６】受光素子２は、ＩｎＰ等からなる半導体基
板１６と、半導体基板１６内部に形成されたＩｎＧａＡ
ｓ等からなる受光部（光吸収層）１８と、受光部１８に
接触する電極１９と、半導体基板１６における電極面１
９Ａと反対の側に突出するように形成されたレンズ２０
とを備えている。
【００１７】受光素子２と光結合すべき光ファイバ２２
は、パッケージ１４の正面側に形成された孔１４Ａを貫
通してパッケージ外部から内部に導入されている。光フ
ァイバ２２の端部２２Ａは、この端部２２Ａからファイ
バ軸方向に光が出射するように加工されている。具体的
には、光ファイバ２２の端部は、図示されたように端部
におけるファイバ直径が先端に向かうに従って連続的に
減少し且つ先端近傍の部分が概略半球状になるようにテ
ーパ先球状に加工されているか、或いは、図示はしない
が、端面がファイバ軸方向に対して垂直になるように加
工されている。
【００１８】以下の説明では、テーパ先球状ファイバ
（Tapered Hemispherical end Fiber:以下「ＴＨＦ」と
も言う。）については、受光素子の電極面１９Ａと平行
なＸＹ平面を有する直交三次元座標系、換言すれば受光
素子の電極面１９Ａと垂直なＺ軸を有する直交三次元座
標系を採用する。
【００１９】ＴＨＦが用いられている場合における光フ
ァイバと受光素子の相対的位置関係のパラメータは、光
ファイバの端部２２Ａの先端のＸ，Ｙ，Ｚ座標と、光フ
ァイバ２２のＹＺ平面に対する傾斜角度θX と、光ファ
イバ２２のＸＺ平面に対する傾斜角度θY である。
【００２０】図２は本発明を適用可能な光受信機の他の
例を示す主要部の破断側面図である。この例では、ファ
イバ軸方向と受光素子の電極面１９Ａとが互いに概略平
行になるように、光ファイバ２２の端部２２Ｂは、この
端部２２Ｂからファイバ軸方向と概略垂直な方向に光が
出射するように加工されている。受光素子２は、電子回
路部品１０上に直接固定され、電子回路部品１０はパッ
ケージ１４内に固定されている。光ファイバ２２内を伝
搬してきた光は、端部２２Ｂの傾斜端面において反射し
て、レンズ２０によって集束されて受光部１８に入射す
る。この構成によると、受光素子２をフリップチップボ
ンディングにより電子回路部品１０の導体パターンに直
接接続することができるので、寄生リアクタンスを低下
させて高速特性を良好にすることができる。
【００２１】このように端面が斜めに研磨された光ファ
イバ（Slant End Fiber:以下「ＳＥＦ」とも言う。）が
用いられている場合には、以下の説明では、受光素子の
電極面１９Ａと垂直なＺ軸を有し且つファイバ軸がＹＺ
平面と平行な平面内にあるような直交三次元座標系を採
用する。
【００２２】ＳＥＦが用いられている場合には、光ファ
イバと受光素子の相対的位置関係のパラメータは、光フ
ァイバの端部２２Ｂの先端のＸ，Ｙ，Ｚ座標と、ファイ
バ軸を中心とした光ファイバ２２の回転角度φと、ファ
イバ軸のＸＹ平面に対する傾斜角度θである。
【００２３】図１又は図２に示した光受信機の構成によ
ると、レンズ２０を一体に備えた受光素子２が備えられ
ているので、所要の光結合効率を得るための、光ファイ
バと受光素子の相対的位置関係のずれの許容範囲が広く
なる。また、受光部１８の径を小さくすることができる
ので、受光素子の低キャパシタンス化が容易になり、高
速特性に優れた光受信機の提供が可能になる。
【００２４】さて、図１や図２に示された光受信機にお
ていは、光ファイバの端部近傍の部分がパッケージ内部
に位置しているので、光ファイバの傾斜角度等を容易に
知ることができない。このため、従来は、例えば図１に
示されたようにＴＨＦが用いられている場合における光
ファイバの傾斜角度θX は次のようにして求めていた。
【００２５】図３は光ファイバの傾斜角度θX の従来の
求め方を説明するための図である。まず、ある任意のＺ
座標を設定し（Ｚ＝Ｚ1 ）、受光素子の光電流Ｉphを測
定しながら光ファイバ２２をＸ軸方向に走査して、図３
（Ｃ）に示すように、Ｚ＝Ｚ 1 におけるトレランスカー
ブ（光電流とＸ軸座標の関係を表す曲線）２４を得る。
そして、トレランスカーブ２４において最大光電流の１
／２に相当する光電流を与えるＸ座標Ｘ11，Ｘ12を求
め、その平均値をＸC1としておく。次いで、Ｚ1とは異
なるＺ座標Ｚ2 を設定し（この例ではＺ1 ＜Ｚ2 ）、同
じようにＺ＝Ｚ2におけるトレランスカーブ２６を得
る。そして、トレランスカーブ２６において最大光電流
の１／２に相当する光電流を与えるＸ座標Ｘ21，Ｘ22を
求め、これらの平均値をＸC2とする。このとき、光ファ
イバ２２の傾斜角度θX は次式により表される。
【００２６】 θ＝ tan-1 [(XC2-XC1)/(Z2-Z1)] …(1) この場合、測定値として、Ｘ11，Ｘ12，Ｘ21，Ｘ22，Ｚ
1 ，Ｚ2 の計６個が必要であり、測定が煩雑である。ま
た、傾斜角度が小さい場合には、求められる傾斜角度の
誤差が大きいという問題がある。この誤差を小さくする
ためには、ΔＺ（＝Ｚ2 −Ｚ1 ）を大きくすると良い
が、ΔＺが増大するに従ってトレランスカーブの最大値
が減少するので、誤差の低減には限界がある。即ち光フ
ァイバの傾斜角度には検出限界がある。
【００２７】そこで、本発明では、受光部の電極面と反
対の側にレンズが設けられた裏面入射型の受光素子の特
性を、この受光素子と光結合される光ファイバの傾斜角
度の測定等に応用することにする。
【００２８】図４（Ａ）に示されたグラフにおいて、符
号２８は、光ファイバをＸ軸方向或いはＹ軸方向に走査
したときに得られるトレランスカーブである。縦軸のη
は光結合効率を表している。具体的な数値を例示する
と、受光素子のレンズの曲率半径が５５μｍ、同レンズ
の開口径が５０μｍである場合、最大光結合効率の９０
％に相当する光結合効率を得ることができる範囲（図中
のＴ2 ）は、４０μｍとなる。
【００２９】一方、図４（Ａ）において符号３０で表さ
れるのは、光ファイバの端部から出射し受光素子の電極
面で反射して再び光ファイバに入射する光（以下「反射
帰還光」ともいう。）の強度分布である。この場合、グ
ラフの縦軸のＲは反射帰還光の強度（反射率に対応）で
ある。
【００３０】このような反射帰還光が生じるのは、図４
（Ｂ）に示すように、レンズ２０で屈折する光線束３２
Ａ，３２Ｂ，３２Ｃのうち、電極面１９Ａに対して入射
角０°で垂直に入射した光線３２Ｂが電極面１９Ａで反
射して入射光路と出射光路が等しくなるからである。
【００３１】本発明では、反射帰還光の強度分布のピー
クを与える位置が受光素子への入射光軸の傾斜角度に依
存する点に着目して、この関係に基づいて光ファイバの
傾斜角度や回転角度の測定等を可能にしているのであ
る。
【００３２】尚、最大光結合効率の９０％に相当する結
合効率が得られ且つ反射帰還光の強度が所要の値以下に
なる範囲（図中のＴ1 ）は、Ｔ2 よりも小さい。この場
合、光ファイバの固定精度以上のＴ1 が確保されていれ
ば、実用上問題が生じることはない。
【００３３】本発明によると、上述した反射帰還光の強
度分布に基づいて、光ファイバと受光素子の相対的位置
関係の調整及び評価が可能になる。そして、効果的な相
対的位置関係の調整は、光ファイバの角度調整と光ファ
イバ及び受光素子間の距離の調整である。以下、これら
の方法を項目毎に説明する。
【００３４】（１）光ファイバと受光素子の相対的位置
関係の調整方法 光ファイバの角度調整方法 この方法は、反射帰還光の強度分布を得るステップ（第
１のステップ）と、この強度分布における測定強度が増
大する領域を基準として光ファイバと受光素子の相対的
位置関係を把握するステップ（第２のステップ）と、こ
の把握された位置関係に基づいて光ファイバと受光素子
の所要の位置関係を設定するステップ（第３のステッ
プ）とを含んでいる。
【００３５】この場合、第１のステップにおいては、反
射帰還光の強度分布は、光ファイバ２２を受光素子の電
極面１９Ａと平行な平面内のある特定な方向に走査して
得られる。第２のステップにおいては、光ファイバと受
光素子の相対的位置関係は、光ファイバの走査方向に垂
直な平面と光ファイバの出射光軸（ＴＨＦである場合に
はファイバ軸と平行であり、ＳＥＦである場合にはファ
イバ軸と垂直）とがなす第１の角度によって把握され
る。第３のステップにおいては、第１の角度が所要の値
になるように光ファイバの傾斜角度又は回転角度が調整
される。
【００３６】（ア）光ファイバの端部が該端部からファ
イバ軸方向に光が出射するように加工されている場合
（例えばＴＨＦ） この場合、光ファイバの走査方向はＸＹ平面内の任意の
方向に設定することができる。特に、図５（Ａ）に示す
ように、光ファイバ２２の幾何学的中心線とこの中心線
の電極面１９Ａへの投影とを含む平面（紙面と平行）上
にＸ軸を設定し、このＸ軸方向に光ファイバ２２を走査
することによって、光ファイバ２２の傾斜角度θX の調
整は１回で済む。
【００３７】光ファイバ２２をＸ軸の負側から正側に向
かう方向に走査する場合、光ファイバ２２の傾斜角度
（光ファイバ２２の幾何学的中心線と電極面１９Ａに対
する垂線とがなす角度）θX は、光結合効率が所定値
（望ましくは最大光結合効率の１／２に相当する値）よ
りも大きくなる範囲（Ｘ1 〜Ｘ2 ）の中点を与える座標
Ｘ c （図５（Ｂ）参照）と、反射帰還光の強度分布にお
いて最大強度を与える座標Ｘp と、レンズ２０の屈折率
ｎs と、レンズ２０の曲率半径Ｒs とを用いて次式によ
って求めることができる。
【００３８】
【数２】
【００３９】この算出式が導出されることを図６により
説明する。いま、電極面１９Ａと垂直なＺ軸とこの受光
素子２に入射する光の光軸とがなす角をθX とし、レン
ズ２０に対する入射角及び出射角をそれぞれθib及びθ
obとし、レンズ２０への入射点及びレンズ２０の曲率中
心を通る直線とＺ軸とがなす角をθs とすると、電極面
１９Ａに光線が垂直に至る条件は、θob＝θs 及びθib
＝θx ＋θs である。この条件の下では次式が成立す
る。
【００４０】
【数３】
【００４１】(3) 式において、θX が小さい場合には、
(3) 式をθX について解くことができ、その結果が前述
の(2) 式となる。このようにして光ファイバの傾斜角度
θX が求まったならば、これを基準として光ファイバの
傾斜角度を所要の値に設定することができる。
【００４２】本実施例においては、光ファイバの幾何学
的中心線とこの中心線の電極面への投影とを含む平面上
にＸ軸を設定しているので、θY は零となる。θY が零
でない場合には、前述のθX の算出方法に準じてθX 及
びθY を算出することができる。
【００４３】この実施例によると、Ｚの値及び反射帰還
光の強度レベルに依存しないで、３つの測定値Ｘ1 ，Ｘ
2 ，Ｘp のみから光ファイバの傾斜角度を算出すること
ができるので、測定が簡易になる。また、測定値の誤差
の累積が従来方法による場合と比べて減少するので、測
定精度を高めることができる。尚、Ｘ1 ，Ｘ2 はトレラ
ンスカーブにおいて最大光結合効率の１／２に相当する
光結合効率を与える２つのＸ座標である。
【００４４】光ファイバの端面がファイバ軸方向に対し
て垂直になるように加工されている光ファイバについて
も、ＴＨＦと同じようにして傾斜角度を測定することが
できる。
【００４５】（イ）光ファイバの端部が該端部からファ
イバ軸方向と概略垂直な方向に光が出射するように加工
されている場合（ＳＥＦの場合） 図７（Ａ）に示すように、光ファイバ２２の幾何学的中
心線とこの中心線の電極面１９Ａへの投影とを含む平面
上であって、且つ、電極面１９Ａと平行な平面上の方向
に光ファイバ２２を走査することによって、光ファイバ
２２の傾斜角度θを測定することができ、この測定結果
に基づいて、光ファイバ２２の傾斜角度を所要の値に調
整することができる。
【００４６】また、図７（Ｂ）に示すように、光ファイ
バ２２の幾何学的中心線に対して垂直であって、且つ、
電極面１９Ａと平行な平面上の方向に光ファイバ２２を
走査することによって、光ファイバ２２の回転角度φを
測定することができ、その測定結果に基づいて光ファイ
バ２２の回転角度を所要の値に調整することができる。
【００４７】 光ファイバと受光素子の間の距離の調
整方法 この方法は、裏面入射型の受光素子に対して光ファイバ
を走査して、反射帰還光の強度分布を得る第１のステッ
プと、反射帰還光の強度分布における測定強度が増大す
る領域に基づいて光ファイバと受光素子の相対的位置関
係を特定する第２のステップと、この特定された位置関
係に基づいて光ファイバと受光素子の所要の位置関係を
得る第３のステップとを含んでいる。
【００４８】光ファイバとしては、図８（Ａ），（Ｂ）
に示すように、ファイバ軸方向と概略垂直な方向に光が
出射するように加工された端部２２Ｂを有する光ファイ
バ２２が使用され、受光素子としては、レンズ２０の周
囲にレンズ２０よりも高い突起３２を有している受光素
子２が使用される。
【００４９】第２のステップにおいては、光ファイバ２
２と受光素子２の相対的位置関係は、光ファイバ２２と
突起３２の接触によって特定される。この接触を確認す
るプロセスは、反射帰還光の強度分布における測定強度
が増大する領域に光ファイバ２２を位置させるステップ
と、測定強度をモニタしながら光ファイバ２２を受光素
子２に近付けてゆき、光ファイバ２２と受光素子２の距
離に対する測定強度の変化率が不連続に変化する基準位
置を求めるステップとを含む。具体的には以下の通りで
ある。
【００５０】図８は光ファイバと受光素子の間の距離の
調整方法を説明するための図であり、同図（Ａ）は光フ
ァイバ２２が受光素子の突起３２に接触する前の状態、
同図（Ｂ）は光ファイバ２２が受光素子の突起３２に接
触した後の状態をそれぞれ表している。
【００５１】まず、ある任意のＺ座標において光ファイ
バ２２をＸＹ平面と平行な平面上で移動させて、反射帰
還光の強度が最大になるようにする。次いで、Ｘ，Ｙ座
標は固定して、光ファイバ２２を受光素子２に近付けて
ゆく。即ち、Ｚ座標を増加させる。こうすると、等価的
に出射ビームが−Ｙ軸方向にずれ、このずれにより反射
帰還光の強度は低下する。
【００５２】図９（Ａ），（Ｂ）はそれぞれＹ座標、Ｚ
座標の変化に対する反射帰還光の強度Ｒの変化の様子を
表すグラフである。いま、反射帰還光の強度の変化ΔＲ
とＹ座標の変化ΔＹの比をαとすると、Ｚ座標の変化Δ
ＺとＹ座標の変化ΔＹの間にはΔＺ＝−ΔＹ／ tanθa
の関係があるから、 ΔＲ／ΔＺ＝−α・ tanθa …(4) が得られる。ここでθa は光ファイバ２２から出射する
光の出射角度である。
【００５３】次に、光ファイバ２２が受光素子の突起３
２に接触した後におけるΔＲ／ΔＺについて考察する。
光ファイバ２２が受光素子の突起３２に接触した後、図
８（Ｂ）に示すように、さらに光ファイバ２２を低下さ
せてゆくと、突起３２のエッジを支点として光ファイバ
２２に角度ずれが生じ、等価的に光ファイバ２２からの
出射角度が増加する。これにより、出射ビームの照射位
置は＋Ｙ軸方向にずれ、このずれにより反射帰還光の強
度は増加する。
【００５４】いま、受光素子２の直径の１／２に相当す
る長さをＨとすると、出射角度の増分Δθは、Δθ＝Δ
Ｚ／Ｈと表すことができるので、Ｙ座標の変化ΔＹは、
ΔＹ＝Δθ・Ｌ／ cosθa となる。従って、 ΔＲ／ΔＺ＝α・Ｌ／ cosθa …(5) が得られる。尚、光ファイバ２２が突起３２に接触する
前後におけるΔＲ／ΔＺの符号は異なる。
【００５５】光ファイバ２２と突起３２の接触の前後に
わたるＺ座標の変化に対する反射帰還光の強度Ｒの変化
の様子を表したのが図１０である。Ｚの変化に対して反
射帰還光の強度Ｒの変化をプロットすると、これらの間
の関係を表すグラフには不連続点Ｐが存在することにな
る。この不連続点を与えるＺ座標ＺP が、光ファイバ２
２が受光素子の突起３２に接触している基準位置を表し
ていることになる。従って、この基準位置から所要の距
離だけ離れた位置に光ファイバ２２を位置させることに
よって、光ファイバと受光素子の所要の位置関係を得る
ことができる。
【００５６】従来、光ファイバと受光素子の突起が接触
する基準位置を知る方法としては、目視により方法があ
った。しかし、受光素子の側方にはパッケージがあるの
で、光ファイバと受光素子の突起の接触を直接側方から
目視により観察することができなかった。このため、受
光素子の上方から覗きこんで光ファイバが突起に接触し
たことを確認する必要があり、基準位置を正確に知るこ
とができなかった。
【００５７】本実施例によると、光ファイバが突起に接
触する基準位置を正確に知ることができるので、光ファ
イバを受光素子に近付けすぎることによる光ファイバの
破損を防止することができる。
【００５８】このように、本発明方法によると、容易に
且つ正確に、光ファイバと受光素子の相対的位置関係を
把握すると共にそれに基づいて所要の相対的位置関係を
得ることができる。
【００５９】（２）光ファイバと受光素子の相対的位置
関係の評価方法 受光素子と光結合された光ファイバを接着剤により或い
はレーザ溶接を適用してパッケージ等に固定するに際し
ては、固定前後における位置ずれを或いは固定後におけ
る経時的な位置ずれを正確に評価することが要求され
る。
【００６０】従来、光ファイバと受光素子の相対的位置
関係のずれを評価しようとする場合には、図１１（Ａ）
に示すように、光ファイバ２２を受光素子２のレンズ２
０の縁部に対向させておき、ＸＹ平面内における光ファ
イバ２２の変位に対する光結合効率の変化が大きいこと
を利用して、位置ずれを評価していた。
【００６１】図１２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれ
光ファイバのＺ軸方向、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の変位に対
する光結合効率の変化を表すグラフである。受光素子の
レンズの縁部に対向する位置に相当するＡ点に光ファイ
バを設定しておくことによって、図１１（Ｂ）に示すよ
うに、光ファイバがＸＹ平面内においてｒ方向に変位し
たときに、この変位量を光結合効率の変化によって評価
することができる。
【００６２】しかし、この従来方法は試験的には有用な
技術ではあるが、光結合効率が必ずしも大きくないレン
ズの縁部に対向する位置に光ファイバを位置させておく
ことが要求されるので、実用的な装置の製造プロセスに
は適用すべきでない。
【００６３】本発明方法では、まず、図１３（Ａ）に示
すように、光ファイバ２２の出射光軸が受光素子の電極
面１９Ａに対してほぼ垂直になるようにして光ファイバ
２２をＸＹ平面内で走査して、反射帰還光の強度分布を
得る。
【００６４】次いで、反射帰還光の強度分布における最
大強度を与える位置の近傍に光ファイバ２２を位置させ
る。図１４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれＺ軸方
向、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の光ファイバの変位に対する反
射帰還光強度の変化を表すグラフである。反射帰還光の
最大強度を与える位置はＢ点で表される。
【００６５】そして、光ファイバ２２と受光素子２の相
対的位置関係の経時変化の前後で、反射帰還光の測定強
度を比較することによって、その変化によりＸＹ平面内
における光ファイバの変位を評価することができる。
【００６６】尚、Ｚ座標の変化に対する反射帰還光強度
の変化が小さい領域にＺ座標を設定しておくことによっ
て、Ｚ軸方向の変位による測定強度の変化を排除して、
ＸＹ平面上における位置ずれを正確に評価することがで
きる。
【００６７】本発明の望ましい実施態様において、光フ
ァイバの出射光軸が受光素子の電極面に対してほぼ垂直
になるようにしているのは、Ｚ座標の変化に対する反射
帰還光強度の変化が小さい領域を、光ファイバの出射光
軸が受光素子の電極面に対して斜めに設定されている場
合と比較して大きくすることができるからである。
【００６８】次に、図１５を用いて、光ファイバ２２の
出射光軸が受光素子２の電極面と垂直な場合における反
射帰還光の強度分布について考察する。反射帰還光の強
度（Ｒ）は、次式に示すように、電極面での反射率（Ｒ
m ）と光吸収層での吸収率（ｅｘｐ（−２・β・Ｗ））
と反射帰還光の光ファイバへの結合効率（ηr ）とを用
いて次式で表される。
【００６９】 Ｒ＝Ｒm ・ｅｘｐ（−２・β・Ｗ）・ηr …(6) 光ファイバの位置ずれ（Δｒ）が生じた場合、電極面へ
の入射角度（θi ）が増加し、結合効率（ηr ）が低下
することにより、反射帰還光の強度が低下することにな
る。従って、反射帰還光の強度分布は、Δｒに対するη
r を導出することにより求まる。
【００７０】光ファイバに対する反射帰還光の結合効率
（ηr ）は、図１５に示すように、電極面で鏡像的に仮
想配置した光ファイバへの結合効率を求めることと等価
になる。電極面をオーバラップ面とすると、ビーム間の
角度がθr （＝２θi ）のときの結合効率を求めればよ
いことになり、次式が得られる。
【００７１】
【数４】
【００７２】ここで、ωr は電極面におけるビーム径、
ｎs は受光素子の屈折率、Ｒr は電極面におけるビーム
の曲率半径、λは光の波長である。近軸近似のもとで
は、電極面への入射角度θi は、レンズの焦点距離ｆs
を用いて次式で表される。
【００７３】θi ＝Δｒ／ｆs ｆs ＝ｎs ・Ｒs ／（ｎs −１） …(9) ここでＲs はレンズの曲率半径である。また、θi とθ
r の間には次式の関係がある。
【００７４】θr ＝２・θi …(10) 電極面におけるビーム径ωr と電極面におけるビームの
曲率半径Ｒr を光線マトリックス要素（Ａ，Ｂ，Ｃ，
Ｄ）により求めると、次のとおりである。
【００７５】
【数５】
【００７６】ここで、ａはａ＝λ／（π・ω1 ）を満足
する。また、ω1 は光ファイバ端面におけるビーム径
（例えば約５μｍ）である。いま、光ファイバの端面が
出射光軸に対して垂直に研磨されている場合を考える。
この場合における光線マトリックス要素（Ａ，Ｂ，Ｃ，
Ｄ）は、受光素子の厚みが受光素子のレンズ焦点距離に
等しいとすると、次式で表される。
【００７７】 Ａ＝０ Ｂ＝ｆs ／ｎs Ｃ＝−１／ｆs Ｄ＝−Ｚ／ｆs ＋１／ｎs …(13) 以上より、電極面におけるビーム径ωr と電極面におけ
るビームの曲率半径Ｒ r は次式で与えられることとな
る。特に、ωr はＺ座標に依存しないことがわかる。
【００７８】
【数６】
【００７９】次に(8) 式について検討する。(15)式から
Ｚ＝ｆs ／ｎs の場合、Ｒr が無限大になるので(8) 式
のｐの値は１になる。(7) 式に(9),(10),(14) 式を代入
すると、ηr は次式により表される。
【００８０】 ηr ＝ｅｘｐ（−４・Δｒ2 ／ω1 2） …(16) Δｒについて解くと、 Δｒ＝ω1 ／２・（−１ｎ（ηr ））1/2 …(17) となり、この式より位置ずれ量が求まる。
【００８１】以上求めた結果は、Ｚ位置がＺ0 （＝ｆs
／ｎs ）から動かない場合を仮定していた。次に、この
Ｚ位置のずれに対してηr が一定であるとみなすことが
できる領域について計算する。(8) 式より、Δｐ及びΔ
Ｚを次式で定義する。 Δｐ＝（ｋ・ωr 2 ／２／Ｒr ）2 Ｚ＝Ｚ0 ＋ΔＺ このとき、電極面におけるビームの曲率半径Ｒr は次式
で与えられる。
【００８２】Ｒr ＝−ｆs 2 ／ΔＺ／ｎs 従って、Δｐは、 Δｐ＝（ｋ・ωr 2 ／２／Ｒr ）2 ＝（λ・ΔＺ／π／ω1 2 ）2 と求まり、これからΔｐが十分小さくなるΔＺの条件が
以下のように導出される。
【００８３】ΔＺ≪π・ω1 2／λ …(18) ΔＺが(18)式を満足していると、(17)式より求めた位置
ずれになる。波長１．５μｍの場合は、(18)式の右辺の
値は５１μｍとなる。数μｍの動きを観測する場合に
は、上記条件が達成できている。一方、(17)式より、反
射率の低下が０．５の場合、位置ずれ量は２．１μｍに
なり、数μｍの動きを十分検出できることがわかる。
【００８４】次に光ファイバの出射光軸が電極面に対し
て傾斜している場合を考える。図１６（Ａ）に示すよう
に、光ファイバからの出射角度をθa とすると、θ
i は、 θi ＝−ｒ／ｆs ＋θa ／ｎs …(19) を満足する。
【００８５】ｒ＝ｒ0 ＋Δｒ 〔ｒ0 ＝ｆs ・θa ／ｎ
ｓ：反射率ピーク位置〕 とすると、θi は、 θi ＝−Δｒ／ｆs となり、光ファイバの出射光軸が電極面に対して垂直で
ある場合と同様に、ピーク位置から動きを検出できるこ
とがわかる。ただし、斜め入射の場合、入射角度θa が
大きいと、Ｚ位置の変動によりビーム位置が変化し、Δ
r の動きに加算されてしまうので、これを考慮すること
が望ましい。図１６（Ｂ），（Ｃ）はそれぞれＺ座標、
ｒの値（又はＸ，Ｙ座標）の変化に対する反射帰還光の
強度Ｒの変化を模式的に表したグラフである。
【００８６】尚、光ファイバと受光素子の相対的位置関
係の評価方法の説明にあたっては、光ファイバの端面が
出射光軸に対して垂直に研磨されている場合について定
量的考察を行ったが、光ファイバの出射光軸が受光素子
の電極面に対してほぼ垂直であれば、ＴＨＦやＳＥＦに
ついても同様の原理に基づいてＸ，Ｙ方向の位置ずれを
検出することができる。
【００８７】図１７は本発明方法の実施に適した装置の
ブロック図であり、この装置は、光受信機の受光部を組
み立てるに際して、光ファイバと受光素子の相対的位置
関係を調整し或いは評価するのに使用することができ
る。
【００８８】裏面入射型の受光素子２は、受光動作を行
い得るように、基板６上に実装されている。受光素子２
と光結合される光ファイバ２２は、受光素子２と光ファ
イバ２２の相対的位置関係を調整し得るように、パルス
ステージ３６によって支持されている。パルスステージ
３６は、パルスステージコントローラ４８からの制御信
号に基づいて、光ファイバ２２のＸ，Ｙ及びＺ座標、傾
斜角度θ並びに回転角度φから選択されるパラメータを
変化させる。
【００８９】光ファイバ２２の一端は、出射光軸がファ
イバ軸に対してほぼ垂直になるように斜めに研磨されて
おり、この第１の端部２２Ｂは受光素子２に光結合され
る。光ファイバ２２の第２の端部２２Ｃは、光カプラ３
８に接続される。光カプラ３８にはまた光源４０及び光
パワーメータ４２が接続される。
【００９０】光源４０から出力された光は、光カプラ３
８及び光ファイバ２２をこの順に通って、光ファイバの
第１の端部２２Ｂから放射され、この光は、受光素子の
レンズ２０によって集束されて受光部に吸収される。受
光素子の電極面１９Ａで反射してレンズ２０によって光
ファイバの第１の端部２２Ｂに入射した光は、光ファイ
バ２２及び光カプラ３８をこの順に通って、光パワーメ
ータ４２に入力する。光パワーメータ４２は、入力した
光の強度に応じた電気信号を出力する。
【００９１】４４は基板３４を介して受光素子２に接続
された光電流検出回路であり、この回路は、受光素子２
にバイアスを供給するとともに、受光素子２に生じた光
電流Ｉphを検出する。
【００９２】光パワーメータ４２からの反射帰還光強度
に応じた電気信号と、光電流検出回路４４からの光電流
に応じた電気信号は、演算処理部４６に入力する。演算
処理部４６は、光パワーメータ４２及び光電流検出回路
４４から入力してきた測定結果に基づく信号並びに予め
定められたプログラムに従って、以上詳述した本発明方
法のいずれかを実行すべく、パルスステージコントロー
ラ４８に駆動データを送出する。
【００９３】パルスステージコントローラ４８は与えら
れた駆動データに基づいてパルスステージ３６に制御信
号を送り、この一連の動作によって、光ファイバ２２の
回転角度φ若しくは傾斜角度θ又は光ファイバの第１の
端部２２ＢのＺ座標の調整を行う。演算処理部４６のプ
ログラムの内容を変更することによって、この装置を光
ファイバと受光素子の相対的位置関係の評価に使用する
こともできる。
【００９４】図１８は裏面入射型の受光素子の他の接続
方法の例を示す図である。この例では、基板６に穴５０
を形成しておき、受光素子のレンズ２０がこの基板の穴
５０内に位置するように受光素子２を下向きに基板６に
固定している。光ファイバ２２は、その先端が基板の穴
５０内でレンズ２０に対向するように位置決めされる。
受光素子２と電子回路部品１０間の接続は、ボンディン
グワイヤ５２によりなされる。このようにフリップチッ
プボンディングではなくワイヤボンディングにより実装
された裏面入射型の受光素子にあっても、これまで説明
したのと同様に電極面１９Ａでの反射帰還光が生じるの
で、反射帰還光の強度分布に基づいて相対的位置関係の
調整或いは評価を行うことができる。
【００９５】図１９は受光素子の他の例を示す図であ
る。これまで説明した実施例では、受光素子のレンズ
は、半導体基板にモノリシックに形成された半球レンズ
であったが、この例では、半導体基板１６の電極面１９
Ａと反対の側に、ガラス等からなる球レンズ２０′を光
学接着剤５４により固定している。このような裏面入射
型の受光素子についても、本発明を適用可能である。
【００９６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光結合される光ファイバと受光素子の相対的位置関係の
簡易で且つ確実な調整方法及び評価方法並びにこれらの
方法の実施に使用可能な装置の提供が可能になるという
効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能な光受信機の主要部の破断側
面図である。
【図２】本発明を適用可能な他の光受信機の主要部の破
断側面図である。
【図３】光ファイバの傾斜角θX の従来の求め方の説明
図である。
【図４】受光素子の電極面で生じる反射帰還光の説明図
である。
【図５】光ファイバの傾斜角θX の求め方を説明するた
めの図である。
【図６】(2) 式の導出を説明するための図である。
【図７】ＳＥＦの傾斜角度、回転角度の求め方を説明す
るための図である。
【図８】光ファイバと受光素子の距離の調整方法の説明
図である。
【図９】反射帰還光強度ＲとＹ，Ｚ座標の関係を表すグ
ラフである。
【図１０】接触の前後におけるＲとＺ座標の関係を表す
グラフである。
【図１１】光ファイバと受光素子の相対的位置関係の従
来の評価方法の説明図である。
【図１２】図１１の方法の原理説明図である。
【図１３】本発明の光ファイバと受光素子の相対的位置
関係の評価方法の説明図である。
【図１４】図１３の方法の原理説明図である。
【図１５】反射帰還光の強度分布の導出を説明するため
の図である。
【図１６】光ファイバの出射光軸が電極面に対して傾斜
している場合における強度分布の導出を説明するための
図である。
【図１７】本発明の方法の実施に適した装置のブロック
図である。
【図１８】受光素子の他の接続方法の例を示す図であ
る。
【図１９】受光素子の他の例を示す図である。
【符号の説明】
２ 受光素子 １８ 光吸収層（受光部） １９ 電極 １９Ａ 電極面 ２０ レンズ ２２ 光ファイバ

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 受光部(18)の電極面(19A) と反対の側に
    レンズ(20)が設けられた裏面入射型の受光素子(2) に対
    して光ファイバ(22)を走査して、上記光ファイバの端部
    から出射し上記電極面で反射して再び上記端部から上記
    光ファイバに入射する光の強度分布を得る第１のステッ
    プと、 該強度分布における測定強度が増大する領域を基準とし
    て上記光ファイバ(22)と上記受光素子(2) の相対的位置
    関係を把握又は特定する第２のステップと、 該位置関係に基づいて上記光ファイバ及び受光素子のい
    ずれか一方又は双方を変位させて上記光ファイバと上記
    受光素子の所要の位置関係を得る第３のステップとを含
    むことを特徴とする光ファイバと受光素子の相対的位置
    関係の調整方法。
  2. 【請求項２】 上記第１のステップにおいては、上記強
    度分布は上記光ファイバ(22)を上記電極面と平行な平面
    内のある特定な方向に走査して得られ、 上記第２のステップにおいては、上記相対的位置関係は
    上記特定な方向に垂直な平面と上記光ファイバの出射光
    軸とがなす第１の角度によって把握され、 上記第３のステップにおいては、上記第１の角度が所要
    の値になるように上記光ファイバ(22)の傾斜角度及び回
    転角度から選択される第２の角度が調整されることを特
    徴とする請求項１に記載の光ファイバと受光素子の相対
    的位置関係の調整方法。
  3. 【請求項３】 上記光ファイバ(22)の端部は該端部から
    ファイバ軸方向に光が出射するように加工されているこ
    とを特徴とする請求項２に記載の光ファイバと受光素子
    の相対的位置関係の調整方法。
  4. 【請求項４】 上記特定な方向は上記光ファイバ(22)の
    幾何学的中心線と該中心線の上記電極面(19A) への投影
    とを含む平面上に設定され、上記第２の角度は上記光フ
    ァイバの傾斜角度であることを特徴とする請求項３に記
    載の光ファイバと受光素子の相対的位置関係の調整方
    法。
  5. 【請求項５】 上記第２のステップは、上記特定の方向
    がＸ軸の負側から正側に向かう方向であるとするとき
    に、上記光ファイバ(22)から出射して上記受光部(18)に
    入射する光の強度が所定値よりも大きくなる範囲の中点
    を与える座標Ｘ c を測定するステップと、上記強度分布
    において最大強度を与える座標Ｘp を測定するステップ
    とを含み、 上記第１の角度θx は、上記レンズの屈折率及び曲率半
    径をそれぞれｎs 及びＲs とするときに、 【数１】 で表される式によって算出されることを特徴とする請求
    項４に記載の光ファイバと受光素子の相対的位置関係の
    調整方法。
  6. 【請求項６】 上記所定値は上記光ファイバから出射し
    て上記受光部に入射する光の強度の最大値の２分の１で
    あることを特徴とする請求項５に記載の光ファイバと受
    光素子の相対的位置関係の調整方法。
  7. 【請求項７】 上記光ファイバ(22)の端部はその端面が
    上記ファイバ軸方向に対して垂直になるように加工され
    ていることを特徴とする請求項６に記載の光ファイバと
    受光素子の相対的位置関係の調整方法。
  8. 【請求項８】 上記光ファイバ(22)の端部は、該端部に
    おけるファイバ直径が該端部の先端に向かうに従って連
    続的に減少し且つ該先端近傍の部分が概略半球状になる
    ように、テーパ先球状に加工されていることを特徴とす
    る請求項６に記載の光ファイバと受光素子の相対的位置
    関係の調整方法。
  9. 【請求項９】 上記光ファイバ(22)の端部は該端部から
    ファイバ軸方向と概略垂直な方向に光が出射するように
    加工されていることを特徴とする請求項２に記載の光フ
    ァイバと受光素子の相対的位置関係の調整方法。
  10. 【請求項１０】 上記特定な方向は上記光ファイバ(22)
    の幾何学的中心線と該中心線の上記電極面(19A) への投
    影とを含む平面上に設定され、上記第２の角度は上記光
    ファイバの傾斜角度であることを特徴とする請求項９に
    記載の光ファイバと受光素子の相対的位置関係の調整方
    法。
  11. 【請求項１１】 上記特定な方向は上記光ファイバ(22)
    の幾何学的中心線に対して垂直であり、上記第２の角度
    は上記光ファイバの回転角度であることを特徴とする請
    求項９に記載の光ファイバと受光素子の相対的位置関係
    の調整方法。
  12. 【請求項１２】 上記光ファイバ(22)の端部は該端部か
    らファイバ軸方向と概略垂直な方向に光が出射するよう
    に加工されており、 上記受光素子(2) は上記レンズ(20)の周囲に該レンズよ
    りも高い突起(32)を有しており、 上記第２のステップにおいては、上記相対的位置関係は
    上記光ファイバ(22)と上記突起(32)の接触によって特定
    され、 該接触を確認するプロセスは、上記強度分布における測
    定強度が増大する領域に上記光ファイバ(22)を位置させ
    るステップと、上記測定強度をモニタしながら上記光フ
    ァイバを上記受光素子に近付けてゆき、上記光ファイバ
    と上記受光素子の距離に対する上記測定強度の変化率が
    不連続に変化する基準位置を求めるステップとを含み、 上記第３のステップにおいては、上記基準位置から所要
    の距離だけ離れた位置に上記光ファイバ(22)を位置させ
    ることによって上記所要の位置関係を得るようにしたこ
    とを特徴とする請求項１に記載の光ファイバと受光素子
    の相対的位置関係の調整方法。
  13. 【請求項１３】 受光部(18)の電極面(19A) と反対の側
    にレンズ(20)が設けられた裏面入射型の受光素子(2) に
    対して光ファイバ(22)を走査して、上記光ファイバの端
    部から出射し上記電極面で反射して再び上記端部から上
    記光ファイバに入射する光の強度分布を得るステップ
    と、 該強度分布における最大強度を与える位置の近傍に上記
    光ファイバ(22)を位置させるステップと、 上記光ファイバと上記受光素子の相対的位置関係の経時
    変化の前後で、上記光ファイバの端部から出射し上記電
    極面で反射して再び上記端部から上記光ファイバに入射
    する光の測定強度を比較するステップとを含むことを特
    徴とする光ファイバと受光素子の相対的位置関係の評価
    方法。
  14. 【請求項１４】 上記光ファイバ(22)の出射光軸が上記
    電極面(19A) に対してほぼ垂直であることを特徴とする
    請求項１３に記載の光ファイバと受光素子の相対的位置
    関係の評価方法。
  15. 【請求項１５】 上記光ファイバ(22)と上記受光素子
    (2) の距離は該距離の変化に対する上記測定強度の変化
    が少ない領域に設定されていることを特徴とする請求項
    １３又は１４に記載の光ファイバと受光素子の相対的位
    置関係の評価方法。
  16. 【請求項１６】 受光部(18)の電極面(19A) と反対の側
    にレンズ(20)が設けられた受光素子(2) と該受光素子に
    光結合される光ファイバ(22)とを、該受光素子及び光フ
    ァイバの相対的位置関係を調整し得るように支持する第
    １の手段と、 上記光ファイバの第１の端部から出射した光が上記受光
    素子に入射するように上記光ファイバの第２の端部から
    光を入射させる第２の手段と、 上記第２の端部から出射した光の強度を検出する第３の
    手段と、 上記受光素子(2) の光電流を検出する第４の手段と、 請求項１乃至１５のいずれかに記載の方法を実行すべく
    上記強度及び光電流の検出値に基づき上記第１の手段を
    制御する第５の手段とを備えたことを特徴とする装置。
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