JPH09139512A

JPH09139512A - 光送受信モジュ−ル

Info

Publication number: JPH09139512A
Application number: JP7319705A
Authority: JP
Inventors: Miki Kuhara; 美樹工原; Naoyuki Yamabayashi; 直之山林; Yasuhiro Inoguchi; 康博猪口; Yasushi Fujimura; 康藤村
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1995-11-13
Filing date: 1995-11-13
Publication date: 1997-05-27
Anticipated expiration: 2015-11-13
Also published as: JP3324373B2

Abstract

(57)【要約】【課題】複数の波長の光を用いて信号を送受信する波
長多重双方向通信において、波長分波器によって異なる
波長の光を空間的に分離している。波長分波器や光ファ
イバの分岐を必要とし、さらに空間分離された波長に対
し、別個に受光素子モジュールと発光素子モジュールを
設けなければならない。部品点数を減らし、接合部に於
ける光損失を減少させ安価な光送受信モジュールを提供
する。【解決手段】特定の波長にだけ感じ、それより短い波
長の光は吸収し、長い波長の光は全て通すようにした狭
い感度領域の専用受光素子を作製し、波長の短いものか
ら順に同一直線上に直列に並べる。単色性のある発光素
子も波長の短いものから順に受光素子に続いて同一直線
上に並べて光送受信モジュールとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光ファイバに２
つ以上の異なる波長の光信号を一方向或いは双方向に通
し、基地局と加入者の間で情報を伝送する光双方向通信
において、複数の受光素子、或いは、受光素子と発光素
子を一体化した光送受信モジュールに関する。

【０００２】［光双方向通信の説明］近年、光ファイ
バの伝送損失が低下し、半導体レ−ザ（以下ＬＤと略
す）や半導体受光素子（以下ＰＤと略す）の特性が向上
してきた。このため光を用いた様々な情報の伝送が可能
になってきた。光を用いる通信であるので、光通信とい
う。伝送されるべき情報の形態としては、電話、ファク
シミリ、テレビ画像信号などがある。特に、波長が１．
３μｍ帯の光や、１．５５μｍ帯の光などの長波長の光
を用いた通信の試みが盛んに行われている。最近は、１
本の光ファイバを用いて信号を双方向に送り、同時に信
号を送受信できるシステムが検討されている。信号を双
方向に送るから双方向通信と呼ぶ。この方式の利点は、
ファイバが１本で済むことである。

【０００３】図１は、このような双方向通信の内、異な
る波長の光を用いる波長多重双方向通信の原理図であ
る。一つの局と複数の加入者が光ファイバによって結合
される。ここでは加入者は一つだけ図示している。実際
には数多くの分岐点があって、局からの光ファイバは多
数の光ファイバに分岐して加入者の装置に至っている。

【０００４】局側は、電話やＴＶの信号をデジタル或い
はアナログ信号として増幅し、この信号によって半導体
レ−ザＬＤ１を駆動する。この信号は波長λ１の信号と
なって、光ファイバ１に入る。分波器２によって、中間
の光ファイバ３に導かれる。これが加入者側の分波器４
により光ファイバ５に入り、受光素子ＰＤ２によって受
信される。これによって光電変換され、電気信号Ｐ３と
なる。電気信号Ｐ３は、加入者側の装置によって増幅さ
れ信号処理されて、電話の音声或いはテレビ画像として
再生される。このように基地局から加入者側に向かう信
号を下り信号といい、この方向を下り系という。

【０００５】一方加入者側は、電話やファクシミリの信
号を半導体レ−ザＬＤ２によって波長λ２の光信号に変
換する。λ２の光は、光ファイバ６に入射し、分波器４
によって中間の光ファイバ３に導かれ、局側の分波器２
を通って受光素子ＰＤ１に入る。局側の装置は、λ２の
光信号をＰＤ１によって光電変換し、電気信号とする。
この電気信号は、交換機や信号処理回路に送り込まれて
適当な処理を受ける。このように局側へ信号を送る方向
を上り系という。

【０００６】以上の説明では、λ１は下り系、λ２は上
り系にのみ使われている。しかし実際には、同じ波長の
光を下りと上りに使うことがある。時には２種類の波長
の光の何れをも上りと下りに伝搬させることもある。こ
のような場合、波長による二つ光の分離が極めて重大な
問題になってくる。

【０００７】［光の分波器の説明］このように、２つ
の波長の光を用い、１本の光ファイバによって、光双方
向通信を行うためには、局側、加入者側どちらも光の波
長を識別し光路を分離する機能が必要である。図１に於
ける分波器２、４がその機能を果たす。分波器は、波長
λ１と波長λ２の光を、結合して１本の光ファイバに導
入したり、二つの波長の光から、一方の光のみを選んで
１本の光ファイバに取り出したりする作用がある。波長
多重双方向通信を行うには分波器が極めて重要な役割を
果たす。

【０００８】現在提案されている分波器にはいくつかの
種類がある。図２〜図４によって説明する。図２の例で
は、分波器は光ファイバまたは光導波路によって作られ
る。二つの光路８、９が一部分１０で近接しており、こ
こで光エネルギーの交換がなされる。近接部１０の間隔
Ｄや距離Ｌによって、様々の態様の結合を実現できる。
ここでは、光路８にλ１の光を、光路９にλ２の光を入
射すると、光路１１にλ１、λ２のいずれもの光が出て
くるようになっている。光路１２にはいずれの光も入ら
ないようになっている。ポートＰ１からのλ１とＰ２か
らのλ２が、いずれもＰ３に現れる。Ｐ４には光が出て
こない。つまりλ１は隣接光ファイバには入らず、λ２
が位相条件を満足し隣接光ファイバに全部移ってしまう
のである。光ファイバや光導波路を用いるからこの分波
器は、偏波依存性が少ないという長所がある。

【０００９】導波路や光ファイバを進む光の経路につい
ては可逆性がある。図２のような分波器を、双方向通信
では、図３のようにして利用することができる。Ｐ１か
ら光ファイバ８にλ１の光を入れ、Ｐ３から出るように
する。Ｐ３からλ２の光を入れてＰ２から取り出す。こ
れは図１の分波器２、４として使うことができる。

【００１０】図４は、多層膜ミラーを使うものである。
二等辺三角形柱のガラスブロック１３、１４の斜辺面に
誘電体多層膜を形成している。誘電体の屈折率と厚みを
適当に組み合わせて、λ１の光は全て透過し、λ２の光
は全て反射するようにしている。これは４５°の角度で
入射した光を反射させるから偏波依存性がある。この分
波器も図１の分波器２、４として利用できる。このよう
な分波器は、分波・合波器とも呼ばれる。ＷＤＭという
こともある。光ファイバやガラスブロックによるものは
既に市販されている。

【００１１】

【従来の技術】加入者側の光送受信モジュールについて
説明する。図５において、局から加入者に向けて敷設さ
れた光ファイバ１６の終端が光コネクタ１７によって、
屋内の光ファイバ１８に接続される。加入者の屋内にあ
るＯＮＵモジュールには、光ファイバＷＤＭ（分波器）
２１が設けられる。光ファイバ１８と光ファイバ１９
が、ＷＤＭ２１の内部で波長選択的に結合されている。
光ファイバ１８には光コネクタ２２によって、ＬＤモジ
ュール２５をつなぐ。光ファイバ１９には光コネクタ２
３を介してＰＤモジュール２７を接続する。

【００１２】ＬＤ２５、光ファイバ２４は、上り系であ
る。１．５５μｍ帯光が加入者側の信号を局へと伝送す
る。光ファイバ２６、ＰＤモジュール２７は下り系であ
る。局からの１．３μｍ帯信号を受けて、ＰＤモジュー
ルによって光電変換する。送信装置であるＬＤ２５は電
話やファクシミリの信号を増幅し、変調する回路や、電
気信号を光信号に変換する半導体レ−ザなどを含む。受
信装置であるＰＤモジュール２７は、局から送られたＴ
Ｖ信号、電話などの光信号を光電変換するフォトダイオ
ードと増幅回路、復調回路などを含む。

【００１３】波長分波器２１は、１．５５μｍ帯光と
１．３μｍ帯光を分離する作用がある。この例では、
１．５５μｍ帯を上り系の信号光、１．３μｍ帯を下り
系の信号光として使っているが、実際には、下り系の信
号が２種類あるから、同じ波長の光信号を上りと下りに
使う必要がある。そのような場合、波長分波器において
二つの異なる波長の光を効率よく分離しなければならな
い。本発明は、２つの波長の異なる光信号を用いて双方
向通信をする場合における光送受信モジュールの改良に
関する。光送受信モジュールというのは、発光素子、受
光素子、これらの周辺の電気回路などを含めたものであ
る。これらの要素についての従来技術を説明する。

【００１４】［従来例に係る半導体発光素子の説明］図
６によって従来例に係る半導体発光素子２８を説明す
る。半導体レ−ザチップ２９と、モニタ用のフォトダイ
オードチップ３０を含むモジュールである。半導体レ−
ザチップ２９はヘッダ３２の隆起部３１の側面に固定さ
れる。チップの面に平行の光を発生するからである。ヘ
ッダ３２の底面にはフォトダイオードチップ３０がレ−
ザチップの背面発光が入射する位置に固定される。ヘッ
ダ３２の下面には適数のリードピン３３がある。ヘッダ
３２の素子取り付け面は、キャップ３４によって覆われ
る。

【００１５】キャップ３４の中央部には窓３５が開口し
ている。半導体レ−ザの光はチップから上下方向に出
る。窓３５の直上にはレンズ３７がある。これはレンズ
ホルダ−３６によって支持される。レンズホルダ−の更
に上には、ハウジング３８があって、これの上頂部には
フェルール３９が固定される。フェルール３９は光ファ
イバ４０の先端を保持する。フェルールと光ファイバの
端部は斜め（８度）に研磨してある。戻り光が半導体レ
−ザに入るのを防止するためである。

【００１６】半導体レ−ザの光を光ファイバ４０の他端
において監視しながらホルダ−３６をヘッダ３２に対し
て位置決めし、さらにハウジング３８をレンズホルダ−
３６に対して位置決めする。半導体レ−ザチップ２９、
フォトダイオードチップ３０の各電極はワイヤによって
リードピン３３の何れかに接続される。半導体レ−ザか
ら出た光はレンズによって絞られ、光ファイバの端部に
入射する。半導体レ−ザは信号によって変調されている
から、この光は信号を伝送することになる。半導体レ−
ザの出力は反対側にあるモニタ用のフォトダイオード３
０によってモニタされる。発振波長は半導体層の材料に
よって決まる。これについては後に述べる。

【００１７】［従来例に係る半導体受光素子モジュール
の説明］図７によって従来の半導体受光素子モジュール
の一例を説明する。受光素子チップ４１がヘッダ４２の
上面にダイボンドされる。ヘッダ４２の下面にはリード
ピン４３が設けられる。ヘッダ４２の上面はキャップ４
４によって覆われる。キャップ４４の中央には光を通す
ための開口部４５がある。キャップの外側にはさらに、
円筒形のホルダ−４６が固定される。これはレンズ４７
を保持するためのものである。

【００１８】レンズホルダ−４６の更に上には、円錐形
のハウジング４８が固定される。光ファイバ５０の先端
をフェルール４９によって固定し、フェルール４９がハ
ウジングによって保持される。フェルール、光ファイバ
の先端５１は斜め研磨してある。

【００１９】受光素子の場合も、光ファイバに光を通
し、受光素子チップ４１の出力を監視しながら、ホルダ
−４６の位置と、ハウジング４８の位置、フェルールの
位置を決める。受光素子の半導体層によって、受光可能
な波長が決まる。可視光の場合はＳｉの受光素子を使う
ことができる。しかし本発明では、近赤外光を用いるＯ
ＮＵモジュールを対象にするから、Ｓｉのフォトダイオ
ードは不適当である。赤外光を感受するためにはＩｎＰ
を基板とする化合物半導体の受光素子を用いる必要があ
る。

【００２０】［従来例に係る半導体受光素子チップの説
明］そこでＩｎＰ基板を用いた長波長用の受光素子につ
いて述べる。図８は従来例に係る光通信用受光素子チ
ップの断面図である。ｎ型ＩｎＰ基板５２の上に、ｎ型
ＩｎＰバッファ層５３、ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層（光吸
収層）５４、ｎ型ＩｎＰ窓層５５がこの順にエピタキシ
ャル成長されている。チップの中央部上方から亜鉛を拡
散することによって、ｐ型領域５６を形成する。亜鉛拡
散はｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層の半ばにまで達している。
つまりこの部分は、ｐ型−ＩｎＰ窓層、ｐ型ＩｎＧａＡ
ｓ受光層となっている。ｐｎ接合がＩｎＧａＡｓ受光層
の内部に生ずる。

【００２１】亜鉛拡散層５６の上にリング状のｐ電極５
７を付ける。リング状ｐ電極５７の内側は光が入る部分
である。光入射部分は反射防止膜５８によって覆う。ｐ
電極５７の外側はパッシベ−ション膜５９によって保護
される。基板５２の裏面にはｎ電極６１が形成される。
このように基板の裏面は必ず電極が全面に形成されて光
が通らないようになっている。これが従来例の受光素子
の特徴の一つである。

【００２２】ｐ電極とｎ電極に電圧をかけてｐｎ接合を
逆バイアスする。光ファイバの端部から出た入射光６０
は中央部の反射防止膜５８、ｐ型ＩｎＰ窓層、ｐ型Ｉｎ
ＧａＡｓ層、ｐｎ接合を通りｎ型ＩｎＧａＡｓに至る。
光が吸収されて電子正孔対を生ずる。逆バイアスされて
いるから電子はｎ電極に向けて、正孔はｐ電極に向いて
走行する。為に電流が流れる。吸収された光子の量と電
流が比例するから、入射光量を検出することができる。

【００２３】ＩｎＧａＡｓ吸収層は、１．３μｍ光も
１．５５μｍ光も吸収することができる。ＩｎＰ窓層で
は光は吸収されない。半導体は、バンドギャップよりも
小さいエネルギーの光はそのまま透過する。その光によ
って価電子帯の電子を伝導帯にまで上げることができな
いからである。つまりバンドギャップに対応する波長よ
りも長い波長の光に対して半導体は透明である。

【００２４】反対に、十分な厚みがあれば、半導体はバ
ンドギャップよりも大きいエネルギーの光を全部吸収す
る。その光によって価電子帯の電子を伝導帯に上げるこ
とができるからである。そこで窓層の半導体のバンドギ
ャップをＥｇｗ、吸収層（受光層）のバンドギャップを
Ｅｇｚとすると、Ｅｇｚ＜ｈν＜Ｅｇｗの光は、窓層を
通り、受光層によって感受されることになる。ここでｈ
はプランク定数、νは光の振動数（周波数）である。つ
まり吸収層のバンドギャップＥｇｚより大きく、窓層の
バンドギャップＥｇｗより小さいエネルギーの光がこの
受光素子によって検出され得るのである。

【００２５】さらにＩｎＧａＡｓと単純化して表現する
が、基板であるＩｎＰとの格子整合の条件から、Ｉｎと
Ｇａの比率は一義に決まる。Ｉｎ_1-x Ｇａ_x Ａｓと書い
た時の混晶比ｘは一つの値に決まっている。つまりＩｎ
Ｐに整合するＩｎＧａＡｓ層のバンドギャップは一義的
に決定されるのである。図９は図８のようなＩｎＧａＡ
ｓ受光素子の感度特性を示す。横軸は光の波長（μｍ）
である。縦軸は感度（Ａ／Ｗ）である。０．９μｍ以下
（Ｐ領域）では感度が低く、０．９５μｍで感度が急に
増加する。１．０μｍ〜１．５μｍ（Ｑ領域）で感度は
単調に増える。１．７μｍから感度は急減し（Ｒ領
域）、１．７５μｍで感度は０に落ちる。

【００２６】良く知られているように、光の波長λとエ
ネルギーＥの間には、ｈν＝ｈｃ／λ＝Ｅの関係があ
る。ここでｈはプランク定数である。νは光の振動数、
ｃは光速である。感度の波長下限（０．９５μｍ）を決
めるのは、窓層（ＩｎＰ）のバンドギャップＥｇｗであ
る。これより高いエネルギーの光は全て窓層によって吸
収されるから受光層（吸収層）まで入らない。

【００２７】感度の波長上限（１．６７μｍ）を決める
のは吸収層（ＩｎＧａＡｓ）のバンドギャップＥｇｚで
ある。これより低いエネルギーの光は吸収層を単に透過
してしまうのでこの検出器によっては検知できない。つ
まり感度の立ち上がるＰ領域の波長を決めるのは窓層の
バンドギャップで、感度の立ち下がるＲ領域の波長を決
めるのは吸収層のバンドギャップである。このフォトダ
イオードはこのように広い感受幅をもつから、１．３μ
ｍ光にも１．５５μｍ光にも十分な感度を持っている。
つまり同じフォトダイオードを、１．３μｍの検出に
も、１．５５μｍの検出にも用いることができる。

【００２８】さらにフォトン（光子）のエネルギーはｈ
ν＝ｈｃ／λであって、理想的にはフォトン一つが電子
正孔対を作り、２ｑ（ｑは電荷素量）の電流を発生す
る。変換効率が１００％の場合にそのようになる。つま
り受光素子の効率が１００％という場合、感度は２ｑλ
／ｈｃ（Ａ／Ｗ）によって与えられる。図９において
１．０μｍ〜１．５５μｍの間（Ｑ領域）で感度が波長
λに単調に増えているのはこの関係による。高感度のフ
ォトダイオードであれば必ずこのような感度曲線にな
る。１．３μｍ光と１．５５μｍ光とを用いて光通信の
信号を伝送するシステムにおいて、いずれの波長の光を
も感受できるフォトダイオードを使用するのは極めて好
都合のように思える。しかし実はここに問題が伏在して
いるのである。

【００２９】もう一つの問題は波長分波器にある。従来
の構成は異なる波長の光を空間的に分離しなければなら
なかったので、必ず波長分波器を必要とした。これは光
ファイバ型、導波路型、ミラー型の何れであっても、２
つの波長の光しか扱えない。３つ以上の光を分離できな
い。これらはいずれも波長の相違を光路の中での位相定
数βの相違として、特定の位相定数の光のみをある光路
に、もう一つの位相定数の光のみを他の光路に導きだす
ものである。従って常に１：１の分配をする。３つ以上
の波長の光からそれぞれの波長の光を導き出すというよ
うな事はできない。つまり波長分波器を使う方法では、
３以上の波長多重信号を扱う事ができない。

【００３０】波長分波器にはもう一つの欠点がある。二
つの波長を扱い、これを１：１に分配をするだけである
のに、分離が不完全である。出力を１、２で表すと、λ
１：λ２の比が、出力１でλ１：λ２＝１：ε、出力２
でλ１：λ２＝ε：１となる。消光比εが０にならな
い。せいぜい１／１００の程度である。分離不完全であ
るために誘電体多層膜によってさらに消光比を０に近づ
けるようにする。波長分波器を省いた波長多重受光モジ
ュールも提案されている。

【００３１】特開平６−４５６３５号は、同一の受
光素子チップ平面に二つの異なった波長の光に対して感
度のある二つの受光素子を設け、表面にその波長だけを
通す波長フィルタを形成したものを提案する。これも並
列型の受光素子の配列であるが、波長分波器を不要とす
る。しかしフィルタの消光比はなお不十分である。この
ような並列選択受光型の素子は二つの光を完全に分離し
て感受することができない。さらに光が２分され或いは
３分されるので目的となる受光素子に入射する光量が少
なくなり感度も低下する。

【００３２】一定の波長の光のみを感受する横型の受光
素子（導波路型）も提案されている。それ以外の波長の
光は遮断してしまうものである。これは波長分波器で分
離した一方の光のみを高感度で検知するために開発され
る。

【００３３】宍倉正人、田中滋久、松田広志、中村
均、宮崎隆雄、辻伸二、「広トレランス導波路型ＰＩＮ
フォトダイオード」、１９９５年電子情報通信学会総合
大会、Ｃ−３８６ｐ３８６（１９９５）これは１．３μｍと１．５５μｍを含む光を面に平行な
導波路に入射すると、１．３μｍ光のみを感じるように
したフォトダイオードである。適当なバイアス電圧かけ
たとき、１．３μｍと１．５５μｍの感度の比は２３ｄ
Ｂ（２００倍）であったと述べている。これは波長分波
器によって光を分離した後に、１．３μｍのみを感受す
るのに使われるフォトダイオードとして開発されたもの
である。波長分波器はもちろん必要になる。端面での反
射損失が大きいので量子効率が低い（３６％）。

【００３４】

【発明が解決しようとする課題】従来の光送受信モジュ
ールには、このように３つの主要部品がある。波長分波
器、発光素子、受光素子の３つの部品である。部品点数
が多いので高価額になる。受信器として大型になればさ
らに価格も上昇する。これは双方向光通信の送受信器と
して致命的な欠陥と言わねばならない。もう一つ問題が
ある。それは分波器や、光ファイバでの結合部分での光
の損失が大きいという事である。そのために長距離通信
にはなお問題があって短距離通信しかできないという難
点がある。

【００３５】部品点数がより少ない光送受信モジュール
を提供する事が本発明の第１の目的である。より小型で
低価額の光送受信モジュールを提供する事が本発明の第
２の目的である。さらに光の損失の少ない光送受信モジ
ュールを提案することが本発明の第３の目的である。長
距離通信に好適な光送受信モジュールを提供する事が本
発明の第４の目的である。低価額低光損失のモジュール
を提供する事によって光加入者系の実用化を多いに促進
することが本発明の第５の目的である。３つ以上の異な
る波長を含む光を信号として波長多重双方向通信できる
ようなモジュールを提供する事が本発明の第６の目的で
ある。

【００３６】

【課題を解決するための手段】なぜに、従来の光送受信
モジュールが大型に、高価になるのか？本発明者はこの
問題について様々に考察した。従来のモジュールは、ひ
としなみに、波長の異なる二つの光を空間的に分離しよ
うとする。空間的に二つの光路を分離するのでやむを得
ず大型化してしまう。それも空間的分離が不十分である
ため損失が大きい。従来装置においては、空間的分離と
波長分離が等価である。空間分離が不十分であると波長
分離も不完全になる。つまりクロストークの問題が発生
する。ＴＶ信号の場合は画面にちらつきが現れる。空間
分離をより完全に行おうとすると波長分波器などに精巧
なものを使わなければならなくなる。ためにより一層高
価格、大型になってしまう。

【００３７】どのようにすればこれらの問題を解決でき
るのか？本発明者はこれら従来のものとは全く反対に、
光路を分離しないで、光を同一光路を通して送受信する
事に思い至った。異なる波長の光を二つの光路に分け
ず、何れもの光を直進させて同じ光路上で検知するよう
にできれ良いはずである。そうすれば、空間分離の問題
は生じないし、空間分離不完全によるクロストークの問
題には無縁になるはずである。そのようなことが果たし
て可能であるのか？

【００３８】従来の送受信器は、いずれの波長の光をも
感受できる受光素子を用いていた。つまり共通型の受光
素子を使っていた。これが問題である。何れの波長の光
にも感度があるので、予め信号光を空間的に分離しなけ
ればならなかったのである。空間的分離のために波長分
波器や、誘電体多層膜が不可欠であった。波長の異なる
光を空間分離し、異なる光路に導き、異なる光路の終点
に感度共通型受光素子を設置し、これによってそれぞれ
の光の強度を検出していた。

【００３９】本発明は感度共通型受光素子を用いない。
感度固有型の受光素子を用いる。つまり波長λｊのみを
感受する受光素子Ｄｊを用いる。波長分波器は用いな
い。波長分波器の機能を受光素子によって行うのであ
る。ために波長分波器は不要になる。本発明は半導体受
光素子の物性に関する深い省察からなされたものであ
る。良く考えれば半導体受光素子は特定の波長のみに感
受するようにできる。

【００４０】図９によって半導体受光素子の感度の波長
依存性を説明した。この点は本発明にとって極めて重要
であるのでさらに説明する。図２９によって入射光のエ
ネルギーと、半導体のバンド構造について述べる。伝導
帯の下端のエネルギーをＥｃ、価電子帯の上端のエネル
ギーをＥｖとする。この差がバンドギャップである。Ｅ
ｇ＝Ｅｃ−Ｅｖ。伝導帯と価電子帯の間は禁制帯であ
る。不純物がない場合は、禁制帯には準位がない。伝導
帯には電子が少ししかないし、価電子帯には電子が詰ま
っている。価電子帯の電子の不足分が正孔である。０Ｋ
では伝導帯の電子、価電子帯の正孔の密度は０である。
不純物準位がない場合、フェルミ準位は禁制帯の中間部
に位置する。有限の温度では熱によって、伝導帯に電
子、価電子帯に正孔が僅かに励起されている。

【００４１】光子が入射すると、価電子帯の電子を伝導
帯に励起する。これをａによって示す。このような現象
を電子正孔の励起という。これは当然に光のエネルギー
がバンドギャップより高い時にしか起こらない。つまり
ｈν≧Ｅｇが条件である。半導体が十分な厚さを持て
ば、バンドギャップより高いエネルギーの光は全て吸収
される。波長でいうと吸収端波長λｇ（＝ｈｃ／Ｅｇ）
より短い波長λの光は全て吸収されるということになる
（λ＜λｇ）。反対にバンドギャップよりも小さいエネ
ルギーの光が入射しても、矢印ｂ、ｃのようにエネルギ
ーが足りない。禁制帯に電子準位がないので、矢印ｂ、
ｃのような遷移は起こらない。つまりバンドギャップよ
りエネルギーの小さい光子（ｈν＜Ｅｇ）はそのまま半
導体を通過する。このようなエネルギーの低い光に対し
て半導体は透明である。波長でいうと、吸収端波長λｇ
より長い波長の光は半導体を透過できるのである。

【００４２】以上の説明は真性半導体の場合であって、
禁制帯に電子準位のない場合である。しかしｎ型、ｐ型
半導体の場合であっても、多くの場合浅い不純物準位Ｅ
ｎ、Ｅｐを作る。これを図３０によって説明する。この
場合、遷移の起こるエネルギーの限界は（Ｅｇ−Ｅｎ）
或いは（Ｅｇ−Ｅｐ）となる。これらの準位Ｅｎ、Ｅｐ
はバンドギャップに比較して数百分の１〜十分の１程度
である。であるからｎ型、ｐ型の半導体でも、吸収端が
少しずれるだけで殆ど同じ事が言える。

【００４３】Ｅｓのように深い準位を作る不純物は、伝
導性の制御のためにはドープしない。良質のエピタキシ
ャル膜はこのような深い不純物準位を持たない。ｎ型、
ｐ型の場合は吸収されるフォトンエネルギーの限界がバ
ンドギャップＥｇの代わりに、（Ｅｇ−Ｅｎ）或いは
（Ｅｇ−Ｅｐ）となる。しかし殆ど値が変わらないの
で、以後、簡単にバンドギャップＥｇによって代表す
る。

【００４４】つまり何れにしても、半導体の内部で、バ
ンドギャップＥｇより高いエネルギーｈνの光子（Ｅ≧
Ｅｇ：λ≦λｇ））は吸収され、低いエネルギーの光子
（Ｅ＜Ｅｇ：λ＞λｇ））は透過する。つまり半導体は
それ自身波長選択性がある。これまで、半導体を波長選
択素子として利用したものはなかった。本発明者は半導
体の波長選択性を巧妙に利用する。そして半導体の波長
選択性を利用した素子を初めて提供する。

【００４５】受光素子は既に述べたように窓層と受光層
（吸収層）の組み合わせである。窓層のバンドギャップ
Ｅｇｗより低いエネルギーの光が窓層を透過し、受光層
のバンドギャップＥｇｚより高いエネルギーの光が全て
吸収される。Ｅｇｚより低いエネルギーの光は吸収層を
透過するが、ｎ側電極６１（図８）に当たって遮蔽され
外部には出ない。つまり入射光は波長によって３つの異
なる運命を辿る。

【００４６】（１）Ｅ≧Ｅｇｗ：窓層によって吸収さ
れ、受光層に到達しない。無効光。（２）Ｅｇｗ＞Ｅ≧Ｅｇｚ：受光層で全て吸収される。
光電流になる。検出光。（３）Ｅｇｚ＞Ｅ：ｎ側電極によって遮蔽。無効光。エネルギーが高すぎるものも、低すぎるものも受光素子
によって検知されない。中間のエネルギーの値を持つも
のだけがこの受光素子によって感知され光電流に変換さ
れる。

【００４７】感度の低波長限界Ｐを決めるのは窓層のバ
ンドギャップＥｇｗであり、高波長限界Ｒを決めるのは
受光層（吸収層）のバンドギャップＥｇｚである。常に
Ｅｇｚ＜Ｅｇｗである。この間のエネルギーの光は全て
感受する。この差（Ｅｇｗ−Ｅｇｚ）を小さくすると、
特定のエネルギーＥｍの光のみを感受できるようにな
る。つまりＥｇｚ＜Ｅｍ＜Ｅｇｗとなる領域が狭くな
り、特定の波長λｍの光のみを感受するようになる。つ
まり窓層と受光層（吸収層）の組成を近づけ、Ｅｇｗ、
Ｅｇｚを殆ど等しくする事により、感度固有型の受光素
子とすることができる。

【００４８】同じ事を波長によって説明すると次のよう
になる。窓層の吸収端波長をλｗ、吸収層の吸収端波長
をλｚとする。それぞれは先ほどのプランクの式によっ
て関係づけられる（λｗ＝ｈｃ／Ｅｇｗ、λｚ＝ｈｃ／
Ｅｇｚ）。λｗ＜λｍ＜λｚで決まる、λｍの光はこの
受光素子によって感受される。（λｚ−λｗ）を小さく
すると、特定の波長λｍの光のみに感じる固有型受光素
子ができる。受光素子Ｄをその窓層の吸収端波長λｗと
受光層の吸収端波長λｚによって定義づけることとす
る。つまり受光素子Ｄ（λｗ、λｚ）と書く。これはλ
ｗ＜λ＜λｚの光のみに感度を持つという事である。

【００４９】もしもｎ個の異なる波長の光λ１、λ２、
λ３、…、λｎ（λ１＜λ２＜λ３＜、…、＜λｎ）が
混在するとして、それぞれに感度固有型の受光素子Ｄ１
（λｗ１、λｚ１）、Ｄ２（λｗ２、λｚ２）、Ｄ３
（λｗ３、λｚ３）、…、Ｄｎ（λｗｎ、λｚｎ）を設
計する事ができる。つまり以下の条件を満足するように
窓層、受光層の材料を決めれば良い。

【００５０】Ｄ１（λｗ１、λｚ１）： λｗ１＜λ１＜λｚ１＜λ２（１）Ｄ２（λｗ２、λｚ２）： λ１＜λｗ２＜λ２＜λｚ２＜λ３（２）Ｄ３（λｗ３、λｚ３）： λ２＜λｗ３＜λ３＜λｚ３＜λ４（３）Ｄｊ（λｗｊ、λｚｊ）：λｊ−１＜λｗｊ＜λｊ＜λｚｊ＜λｊ＋１（４）Ｄｎ（λｗｎ、λｚｎ）： λｎ−１＜λｗｎ＜λｎ＜λｚｎ（５）ｊは一般形である。

【００５１】これを例にして式の意味を述べる。λｗｊ
＜λｊ＜λｚｊは既に述べたように、λｊの光がこの受
光素子によって感受されるための条件である。両端の不
等式に注意すべきである。λｊ−１＜λｗｊ、λｚｊ＜
λｊ＋１は、Ｄｊが隣接する波長λｊ−１やλｊ＋１の
光を感じないという条件である。つまりＤｊはλｊの光
を感じるという感受条件と、それ以外の光を感じないと
いう不感条件を持って定義される。このような受光素子
は感度固有型と呼ぶことができる。Ｄｊはｊの光だけに
感じ、その他の光には全く感じない。

【００５２】本発明を構成する上でもう一つ重要な事が
ある。これは従来の受光素子では問題にならない事であ
る。吸収層の吸収端波長λｚ以上の波長を持つ光は、ｎ
電極６１（図８）に当たり外部に出ずここで消滅してい
た。しかし、もしも複数の波長の信号光を扱う系を構築
した場合、光ファイバを伝わってきたλｚ以上の波長の
光も多くの信号を担っているわけである。これを単に電
極で消滅させるのは無駄であるし、受光素子として余り
に無能であると言わざるを得ない。

【００５３】そこで本発明は、裏面の電極を除去する。
代わりに透明の保護膜を被覆する。λｚ以上の波長の光
が裏面から外部に出るようにする。つまり受光面から入
った光は一部が感受され光電流になり、残りの波長の長
いものは全部裏面から出てゆく。透過型とでも命名でき
よう。これが本発明のもう一つの特徴である。本発明で
用いる受光素子は、感度固有型であって裏面に透過光の
出るようなものとする。これは単純な工夫であるが、前
記の感度固有型受光素子を組み合わせる事によって卓越
した効果を発揮する。本発明の受光素子の特徴を端的に
表すために、感度固有透過型受光素子ということができ
よう。これに対し従来のものは感度共通遮断型受光素子
ということができる。

【００５４】本発明はこのような感度固有透過型受光素
子を複数個直列に接続する事によって、波長多重光ファ
イバ通信において画期的な送受信モジュールを与えよう
とする。直列に並べるので、光は次から次へと受光素子
の内部を伝達してゆくことができる。従来のように空間
的に分離するものではない。従来のものは並列型である
が、本発明は直列型である。

【００５５】発明の内容が複雑であるので数学的な表現
を与える。本発明の受光素子群は特別な代数を要求す
る。信号光をＳによって表現する。これが波長λ１、λ
２、…、λｎを含む場合は、信号光Ｓ（ｎ：λ１、λ
２、…、λｎ）と書くことにする。これはｎ個の異なる
波長の光が含まれ、短い方から列挙しているということ
を意味する。

【００５６】光電流をＩとする。これがｍ個の波長の信
号を含み、その波長が短いものから順にλ１、λ２、…
λｍである場合、これをＩ（ｍ：λ１、λ２、…λｍ）
と書く事にする。複数の波長の信号が混合したものが光
電流として検出されるとこれは混信であって、好ましく
ない。しかし本発明はそのようなことはしない。受光素
子は一つの波長の信号のみを取り出すものとする。つま
り光電流については、Ｉ（１：λｊ）とならなければな
らない。

【００５７】受光素子の表面（前面）に光を入れる。こ
れを入力という。本発明は受光素子の裏面（後面）から
光を取り出す。これは信号を含む光である。これを出力
という。さらに受光素子が感受した光の強度に応じた光
電流Ｉを発生する。これも出力である。つまりある受光
素子を基準として、入力は信号光Ｓであり、出力は信号
光Ｓと光電流Ｉである。すると受光素子は、Ｓを入れ
て、Ｓ＋Ｉを出力する演算子（オペレータ）と観念する
ことができよう。

【００５８】そこで（入力）×（受光素子演算子）が出
力を与えると考える。但しこの代数は、演算子が左の値
に対して作用するものとする。通常の代数と反対であ
る。これは図面との対比を単純化させるためである。×
の記号を省いて、受光素子について、（入力）（受光素
子演算子）＝（出力）という式によってこの関係を記述
する。つまりＳＤ＝Ｓ＋Ｉという概念によって受光素子
Ｄの機能をとらえる。まずこの代数が従来のものに対し
てどうのような表現を与えるかを述べる。（従来受光素子）従来の感度共通型受光素子Ｄ（共
通）は複数の波長光を含む信号光に対して次の演算を与
える。

【００５９】Ｓ（ｎ：λ１、λ２、…、λｎ）Ｄ（共通）＝Ｉ（ｎ：λ１、λ２、…、λｎ）（６）

【００６０】これは二つの事を意味する。ｎ個の異なる
波長の光を含む信号光を受光素子に入れると、それぞれ
の波長の信号が独立に光電流になるということである。
一つの波長のみを取り出すことができない。全ての光信
号を電流に変換している。もう一つは光の出力がないと
いう事である。

【００６１】（本発明の受光素子に対する式）一方本発
明の受光素子は、感度固有であるから、ｊ番面の受光素
子はｊ番目の波長の光のみを感受する。これより短い波
長の光（（ｊ−１）個）は感知できないし吸収してしま
う。これより長い（ｎ−ｊ）個の光は（λｊ＋１、λｊ
＋２、…、λｎ）感知できないが透過する事ができる。
これは出力において信号光となり得る。

【００６２】Ｓ（ｎ：λ１、λ２、…、λｎ）Ｄｊ（λｗｊ、λｚｊ）＝Ｉ（１：λｊ）＋Ｓ（ｎ−ｊ：λｊ＋１、λｊ＋２、…、λｎ）（７）

【００６３】長い波長の光が裏面に出ているから、これ
に対して他の受光素子ｋを並べることができる。ｊより
番号の小さい受光素子を並べても意味はない（（８）
式）。ｊ＜ｋ≦ｎの受光素子を接続すると、λｋの光を
も感受することができ、ｋ＋１〜ｎ番目の光を後方へ透
過させることができる。このように受光素子ｊ、ｋを２
段縦に並べた場合、次の式によって入力と出力の関係を
表すことができる。

【００６４】Ｓ（ｎ：λ１、λ２、…、λｎ）Ｄｊ（λｗｊ、λｚｊ）Ｄｋ（λｗｋ、λｚｋ）＝Ｉ（１：λｊ）（ｋ＜ｊ≦ｎ）（８）Ｓ（ｎ：λ１、λ２、…、λｎ）Ｄｊ（λｗｊ、λｚｊ）Ｄｋ（λｗｋ、λｚｋ）＝Ｉ（１：λｊ）＋Ｉ（１：λｋ）＋Ｓ（ｎ−ｋ：λｋ＋１、λｋ＋２、…、 λｎ）（ｊ＜ｋ≦ｎ）（９）

【００６５】複数の受光素子を直列に並べることを縦続
接続と呼ぶ。（９）式はｊ＜ｋの関係にある受光素子Ｄ
ｊ，Ｄｋをこの順に並べると、λｊとλｋの信号を検出
でき、さらにλｋ＋１〜λｎの信号を出力に取り出す事
ができるということを述べている。（８）、（９）はオ
ペレータＤｋ、Ｄｊが交換可能でない事を示す。（９）
式から番号の順に受光素子を縦続接続すると、それだけ
の波長の光を感受できる事が分かる。結局最良の形態は
受光素子を、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、…、Ｄｎというふうに
固有波長が長くなる順（λ１＜λ２＜λ３＜、…、＜λ
ｎ）に縦続接続する事である事が分かる。

【００６６】Ｓ（ｎ：λ１、λ２、…、λｎ）Ｄ１（λｗ１、λｚ１）Ｄ２（λｗ２、λｚ２）…Ｄｎ（λｗｎ、λｚｎ）＝Ｉ（１：λ１）＋Ｉ（１：λ２）＋…＋Ｉ（１： λｎ）（１０）

【００６７】（１０）は固有波長が短いものから長くな
る順（λ１＜λ２＜λ３＜、…、＜λｎ）に受光素子を
縦続接続すると、すべての受光素子で固有波長の光を検
出できるという事を意味している。より単純化して本発
明の思想を簡明に示すと、

【００６８】Ｓ（１，２，…，ｎ）Ｄ１Ｄ２Ｄ３…Ｄｎ＝Ｉ１＋Ｉ２＋…＋Ｉｎ（１１）

【００６９】と表すことができる。ここでＳ（１，２，
…，ｎ）はＳ（ｎ：λ１、λ２、…、λｎ）の簡略形、
Ｄ１はＤ１（λｗ１、λｚ１）の簡略形、Ｉ１はＩ
（１：λ１）の簡略形である。｛Ｄｊ｝が交換不能であ
ることを条件として含んで、さらに次のように単純化し
て本発明を表現する事もできよう。

【００７０】ＳΠ_j=1 ⁿＤｊ＝ Σ_j=1 ⁿＩｊ（１２）

【００７１】図３１はこれを図式的に示すものである。
受光素子はＤ１、Ｄ２、…、Ｄｎの順に縦続接続されて
いる。これにｎ個の波長の光を含む信号が入ると、Ｄ１
でλ１の光検出がなされ、λ２以下の信号がＤ２に送ら
れ、Ｄ２ではλ２の光が検出され、λ３以下の光が先送
りされる。受光素子から上に向けた矢印は光電流となっ
て検知される光波長を示す。受光素子Ｄ１〜Ｄｎの下の
横向きの矢印は、その波長の光が到達できる範囲を示
す。このように受光素子列に１本の直列光路が形成さ
れ、波長の長い光程遠くまで到達するようになってい
る。

【００７２】以上の説明は受光素子の組に関するもので
ある。光路を１直線にすることによって、本発明は多く
の利益を得る事ができる。従来のように並列光路としな
いから、波長分波器が不要である。光路を横方向に分離する必
要がないからである。その他カップラなどの光路分割手
段も不要である。高価な波長分波器が不要であるからそ
の利益は大きい。

【００７３】光ファイバの接続箇所が大幅に減少す
る。光路が縦方向に１本になるからである。縦続接続の
ためには受光素子をその順に配置するだけでよい。光フ
ァイバも光コネクタも不要である。部品点数を下げるこ
とによってコストを低減できる。従来のものは波長分波器の消光比がなお大きく、クロ
ストークが問題であったが、本発明は波長分波器による
空間分離を行わないので消光比の問題に悩まされない。
クロストークなどの可能性が極めて小さくなる。光ファイバによる接続箇所が減少するから光ファイバ
融着などの手数を省くことができる。さらに、光ファイ
バの接続による光の挿入損失などを防ぐ事が出きる。

【００７４】波長に固有の狭い感受領域を持った複数
の受光素子を使うことになるが、独立の受光素子である
から、信号光の波長選択に応じて受光素子も自由に組み
合わせることができる。つまりλ１＜λ２＜λ３＜、
…、＜λｎの内ｋ個の波長のみを信号系において使う場
合、そのｋ個の波長に対応する受光素子を組み合わせれ
ばよい。波長と受光素子が１：１に対応しているので組
み合わせに柔軟性がある。

【００７５】以上の説明は受光素子の直列接続に関する
ものである。受光素子は受動素子であるから互いに干渉
などがなく、きれいに信号分離できる。しかしながら本
発明の思想は、ひとり受光素子集合に限定されるのでは
ない。発光素子をも含ませる事ができる。発光素子は半
導体レ−ザまたは発光ダイオードを用いる。発光層のバ
ンドギャップによって発光波長λｑが決まる。

【００７６】本発明のモジュールは一つの発光素子を縦
続接続した受光素子の終端に設ける事ができる。ｎ−１
番目迄を受光素子にして、ｎ番目を発光素子Ｌｎとする
ことによって、同様の縦続接続構成とする。つまりλｑ
＝λｎとする。接続は、ＳＤ１Ｄ２…Ｄｎ−１Ｌｎとい
うふうにする。発光素子の発光波長λｎは他の全ての波
長よりも長いので、前段迄の受光素子を無損失で透過す
る事ができる。λｎの光の進行方向が逆になるだけであ
る。図３３にこれを示す。また信号光に初めから含まれ
る受信光はλ１〜λｎ−１であり、これらはそれぞれの
受光素子によって完全に吸収されて最後段の発光素子に
は至らない。従って、信号光が発光素子の駆動状態に影
響を及ぼすことはない。

【００７７】半導体レーザの場合は最後段に一つ設ける
ことができるだけである。二つ設けられない理由は次の
ごとくである。図３３によって示す。もしもｎ−１段に
λｎ−１の半導体レーザ、ｎ段にλｎの半導体レーザを
設置したとすると、λｎ−１の光は最後段のＬｎにも入
射する。λｎ−１＜λｎであるから、この光はＬｎに吸
収される。レ−ザＬｎはこれによって摂動を受ける。

【００７８】レ−ザＬｎ−１によって、レ−ザＬｎが影
響を被るのである。Ｌｎは信号によって変調された光で
あるから、Ｌｎ−１によって外部変調されるとＬｎの信
号を歪ませる。このようなわけで発光素子が励起光の影
響を受け易い半導体レ−ザの場合は、複数個を並べる事
ができない。従って半導体レ−ザを発光素子とする場合
は、一つだけを最終段に設けるだけである。縦続接続は
Ｄ１Ｄ２…Ｄｎ−１Ｌｎと簡明に表される。これは式に
よって表現すると、

【００７９】Ｓ（ｎ：λ１、λ２、…、λｎ−１）Ｄ１（λｗ１、λｚ１）Ｄ２（λｗ２、λ ｚ２）…Ｄｎ−１（λｗｎ−１、λｚｎ−１）Ｌｎ（λｗｎ、λｚｎ）＝Ｉ（１：λ１）＋Ｉ（１：λ２）＋…＋Ｉ（１：λｎ−１）（１３）Ｓ（１：λｎ）Ｌｎ（λｗｎ、λｚｎ）Ｄｎ−１（λｗｎ−１、λｚｎ−１）… …Ｄ１（λｗ１、λｚ１）＝Ｓ（１：λｎ）（１４）

【００８０】（１３）は固有波長が短いものから長くな
る順（λ１＜λ２＜λ３＜、…、＜λｎ−１）に（ｎ−
１）の受光素子を縦続接続し最終段にλｎのレ−ザを接
続すると、すべての受光素子（ｎ−１個）で固有波長の
光を検出できるという事を意味している。（１４）は反
対に最後段のレ−ザから出た最長波長の光が受光素子の
全てを通り抜けてゆき信号光になるという反対経路の式
である。より単純化して本発明の思想を簡明に示すと、

【００８１】Ｓ（１，２，…，ｎ−１）Ｄ１…Ｄｎ−１Ｌｎ＝Ｉ１＋Ｉ２＋…＋Ｉｎ−１（１５）Ｓ（ｎ）ＬｎＤｎ−１…Ｄ１＝Ｓ（ｎ）（１６）

【００８２】もっともこれは発光素子が干渉性の強い半
導体レ−ザの場合である。発光ダイオードの場合は、相
互干渉がより少ないから複数の発光ダイオードを並べる
ことができる。λｊ＜λｋの場合にｊ番目の発光ダイオ
ードがｋ番目の発光ダイオードの駆動状態に影響がない
として、１〜ｋまでは受光素子Ｄ１Ｄ２…Ｄｋの縦続接
続とし、ｋ＋１〜ｎまでは発光素子Ｌｋ＋１…Ｌｎの縦
続接続とすることができる。全体の接続はＤ１…ＤｋＬ
ｋ＋１…Ｌｎである。

【００８３】図３２によって概念形を説明する。受信側
信号はλ１〜λｋの光によって伝送される。送信側信号
はλｋ＋１〜λｎによって伝送される。この場合もλ１
＜λ２＜λ３＜、…、＜λｎが前提されている。右向き
信号光は受光素子に全て吸収されて発光素子には入らな
い。左向きの発光素子の光は波長が長いので、受光素子
をすどうりする。動作方程式は、

【００８４】Ｓ（ｋ：λ１、λ２、…、λｋ）Ｄ１（λｗ１、λｚ１）…Ｄｋ（λｗｋ、λｚｋ）Ｌｋ＋１（λｗｋ＋１、λｚｋ＋１）…Ｌｎ（λｗｎ、λｚｎ）＝Ｉ（１： λ１）＋Ｉ（１：λ２）＋…＋Ｉ（１：λｋ）（１７）Ｓ（ｎ−ｋ：λｋ＋１、…、λｎ）Ｄｋ（λｗｋ、λｚｋ）…Ｄ１（λｗ１、λ ｚ１）＋Ｓ（ｎ−ｋ−１：λｋ＋２、…、λｎ）Ｌｋ＋１（λｗｋ＋１、λｚｋ＋１）Ｄｋ（λｗｋ、λｚｋ）…Ｄ１（λｗ１、λｚ１）＋Ｓ（ｎ−ｋ−２：λ ｋ＋３、…、λｎ）Ｌｋ＋２（λｗｋ＋２、λｚｋ；２）Ｌｋ＋１（λｗｋ＋１、λｚｋ＋１）Ｄｋ（λｗｋ、λｚｋ）…Ｄ１（λｗ１、λｚ１）＋…＋Ｓ（１：λｎ）Ｌｎ（λｗｎ、λｚｎ）…Ｌｋ＋１（λｗｋ＋１、λｚｋ＋１）Ｄｋ（ λｗｋ、λｚｋ）…Ｄ１（λｗ１、λｚ１）＝Ｓ（ｎ−ｋ：λｋ＋１、…、λｎ）（１８）

【００８５】（１８）式は分かり難いが、それぞれの発
光素子から出た光が左向きの送信信号となることを意味
している。以上に３つの場合を説明した。複数の受光
素子だけの場合、複数の受光素子と一つの発光素子の
場合、複数の受光素子と複数の発光素子の場合であ
る。何れにしても、λ１＜λ２＜λ３＜、…、＜λｎの
場合に、信号入力側から、波長の小さい素子順に並べれ
ば良い。そして受光素子は発光素子よりも短い波長を与
える。つまり縦続接続だけを書くと、

【００８６】複数の受光素子のみの場合、Ｄ１Ｄ２…Ｄｎ（１９）複数の受光素子と一つの発光素子の場合Ｄ１…Ｄｎ−１Ｌｎ（２０）複数の受光素子と複数の発光素子の場合Ｄ１…ＤｋＬｋ＋１…Ｌｎ（２１）となるのである。本発明は特に、において極めて斬
新な構造のモジュールを提案するものである。しかしそ
の規則性についてはが最も理解しやすいので、初めに
について説明し、次いで、を述べている。

【００８７】しかしいくつかの問題がある。それは基板
の問題である。これまでの説明では、受光素子は、光が
入ってくる窓層と、光の強度を検出する受光層（吸収
層）から成るものとして抽象化されていた。受光素子＝
窓層＋吸収層というふうに単純化されていた。窓層が低
波長光（λ＜λｊ）を遮断するフィルタで、吸収層が該
当光（λｊ）を全部吸収し、それより後にその波長λｊ
以下の波長の光（λ≦λｊ）が全く出ないようにしてい
る。しかしそれより後に、λｊ＜λである光が全部透過
して外部に出るようになっている。受光素子は光検出と
ともにフィルタになっているのである。光の振動数がよ
り低いものを通すので、電気学の言葉を借用すると、ロ
ーパスフィルタと言えよう。

【００８８】ところが図８に示すように、実際には受光
素子には基板やバッファ層がある。基板の上に吸収層、
窓層がエピタキシャル成長されるようになっている。光
が受光素子を面に直角に通過するような構造であるか
ら、バッファ層や基板の透過、吸収特性も新たな問題に
なってくる。これは本発明のように受光素子を貫いて光
を通すような構造になって初めて現れる問題である。基
板はその受光素子（ｊ）が検知を担当する波長λｊより
も長い波長の光（λｊ＜λ）を全部通すような材料でな
ければならない。

【００８９】そもそも半導体素子の基板は、光を透過す
るという条件によって選ばれるのではない。チョクラル
スキー法やブリッジマン法によって大型の単結晶が容易
に大量に製造できるという条件によって基板材料が選ば
れる。従って現在基板にできる半導体材料は極めて限ら
れている。ＩｎＰ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、Ｇｅ、ＣｄＴｅ、
ＧａＰ程度しかない。３元混晶、４元混晶は大型の単結
晶を作る事ができないから基板とすることはできない。

【００９０】基板の種類が少ないということの他に、格
子整合の条件がある。エピタキシャル層の格子定数が基
板の格子定数に一致しないとエピタキシャル層が品質の
良い単結晶膜にならない。３元系、４元系であっても、
これらの基板と格子整合できないものが多い。このよう
な理由で、基板の存在が本発明のような波長多重通信の
受光素子モジュールを阻むように思える。

【００９１】ＩｎＰのバンドギャップは１．３５ｅＶ、
ＧａＡｓのバンドギャップは１．４、Ｓｉのバンドギャ
ップは１．２ｅＶ、Ｇｅのバンドギャップは０．６７ｅ
Ｖ、ＧａＰのバンドギャップは２．２６ｅＶである。

【００９２】これらの半導体基板材料の中で３元化合物
半導体、４元化合物半導体の基板として良く用いられる
のは、ＩｎＰとＧａＡｓである。ＩｎＰのバンドギャッ
プは１．３５ｅＶであり、これを波長に直すと、０．９
２μｍである。するとこの多重光通信系で使う光（λ１
＜λ２＜λ３＜、…、＜λｎ）の波長がすべて０．９２
μｍよりも長ければ、これら全ての信号光はＩｎＰ基板
を透過できる。つまりλ１が０．９２μｍより長ければ
良い。これは現在試みられている波長帯を十分に含み得
る。光通信に使える光の波長は、石英ファイバの透過率
によって波長が限定されている。これらは例えば、１．
３μｍ、１．５５μｍ、などであって、ＩｎＰの吸収を
受けない波長帯にある。

【００９３】基板が信号光を全て通しても、基板の上に
形成できるエピタキシャル膜のバンドギャップが基板の
バンドギャップよりも小さくできないと、そもそも本発
明は成り立たない。ＩｎＰはさらに都合の良い事に、こ
の条件をも満足している。ＩｎＰと格子整合する４元系
ＩｎＧａＡｓＰ混晶のバンドギャップは何れもＩｎＰの
バンドギャップよりも小さい。

【００９４】ＧａＡｓ基板の場合も、その上に４元系の
薄膜を形成できる。しかしＧａＡｓ基板の上の４元系は
ことごとく、ＧａＡｓよりバンドギャップが広い。従っ
て本発明の基板としては利用できない。

【００９５】つまりＩｎＰをこれらの受光素子の基板と
して共通に利用できるということである。これは誠に好
都合な性質である。ＩｎＰを基板にして、ＩｎＧａＡｓ
３元系、ＩｎＧａＡｓＰ４元系などの薄膜をエピタキシ
ャル成長する技術は既に確立されている。十分の実績が
ある。特に４元系にすれば格子整合条件（Ｖｅｇａｒｄ
の法則）を入れても一つの自由パラメータが存在する。
Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓ_yＰ_1-y と一般に書くことができる
が、ＩｎＰとの格子整合と、所望のバンドギャップＥｇ
を与える事によってｘ，ｙのパラメータが決定される。

【００９６】ＩｎＰを基板として、この上に３元系、４
元系の半導体薄膜を作ると、いずれの薄膜材料のバンド
ギャップもＩｎＰより小さい。前記の光通信のｎ個の波
長λ１＜λ２＜λ３＜、…、＜λｎは、λｗｊ＜λｊ＜
λｚｊという条件を満足する。λｗｊ、λｚｊは薄膜材
料の吸収端波長であり、ＩｎＰの吸収端波長０．９２μ
ｍより長い。するとこれらλ１＜λ２＜λ３＜、…、＜
λｎの波長は、いずれも０．９２μｍより長い。基板の
吸収端波長をλｓとすると、単純に、

【００９７】 λｓ＜λ１＜λ２＜λ３＜、…、＜λｎ（２２）

【００９８】と表す事が出きる。結局これらの光（λ１
＜λ２＜λ３＜、…、＜λｎ）は全て基板を透明体とし
て透過する。基板と同じ材料によってバッファ層を作る
と、これら信号光はバッファ層も透過する。信号光にと
っては基板は無きがごときものである。このようにＩｎ
Ｐを基板としＩｎＧａＡｓＰ混晶を窓層、吸収層とする
と、本発明の条件を満足するような、窓層、吸収層を持
つ受光素子の組を製造する事ができる。窓層、吸収層の
設計にあたって、基板、バッファ層の存在を捨象できる
という事である。

【００９９】しかしこれは本発明がＩｎＰ基板、ＩｎＧ
ａＡｓＰ薄膜に限定されるということではない。基板の
バンドギャップよりもそれに格子整合する４元系、３元
系のバンドギャップが狭ければ本発明を適用できる。例
えば、ＣｄＴｅ（Ｅｇ＝１．５ｅＶ）を基板とし、Ｈｇ
_x Ｃｄ_1-x Ｔｅ３元系を薄膜とした受光素子にも本発明
を適用できる。これはｘが０〜１で格子整合し、混晶の
バンドギャップがいずれも基板Ｅｇよりも小さい。

【０１００】さらにＺｎＴｅ（Ｅｇ＝２．３ｅＶ）を基
板として、Ｚｎ_x Ｃｄ_1-x Ｓｅ_y Ｔｅ_1-y ４元混晶を薄
膜とするものにも本発明を適用できる。格子整合条件を
満たす４元混晶のバンドギャップは、全て基板のバンド
ギャップより小さいからである。

【０１０１】次に（ｎ−１）の受光素子と一つ発光素子
を直列に並べるの場合について説明する。（ｎ−１）
の受光素子の部分については、について述べたものと
全く同様である。発光素子はλｎの光を発生するが、こ
れは発光素子の材料によっている。受光素子の受光する
（ｎ−１）の波長の光と、発光素子の発するλｎはλ１
＜λ２＜λ３＜、…、＜λｎの関係がある。発光素子の
光は、波長が長いので、その前にある受光素子を単に透
過するだけである。受光素子によって検出されないし、
吸収されない。受光素子には影響を及ぼさない。半導体
レ−ザと受光素子には元々非対象性がある。半導体レ−
ザは元々狭いスペクトルを持つ。単色であると言ってよ
い。

【０１０２】これに反して受光素子は広い波長領域に対
して感受性をもつ。さらに進んで波長によって感度が変
わらないという一様性が尊重される事も多い。このよう
に能動的な波長域に関して、受光素子と半導体レ−ザで
はもともと非対象性があった。本発明はこの非対象性を
減少させ、半導体レ−ザと受光素子の能動領域を等しく
狭くしたものである。本発明の思想の一つはこのように
波長固有性を受光素子に賦与することにある。半導体レ
−ザははじめから単色であるが、受光素子に単色性を初
めて与えようとするのが本発明である。

【０１０３】さて、反対に受信光はλｎ−１がｎ−１番
目の受光素子によって完全に吸収されている。受信光が
発光素子（半導体レ−ザ）に入って励振状態を擾乱する
ということもない。発光素子は窓層のようにフィルタの
部分がないが、前段（ｎ−１）の受光素子までに全ての
受信光が消滅しているから発光素子には影響しない。次
に複数の受光素子と複数の発光素子が直列に接続されて
いる場合について述べる。発光素子は電流によって励起
されるが、光の入射によっては発光状態が変わらないも
のとする。面発光型の発光ダイオードであればこのよう
な条件を満たすことができる。

【０１０４】

【発明の実施の形態】

［実施形態例１］図１０に本発明のモジュールの第
１の構成例を示す。これは受光素子一つ、発光素子一つ
とする例である。受光素子がλ１の光を感受し、発光素
子がλ２の光を発生するものとする（λ１＜λ２）。光
ファイバ６２は、屈折率の高いコア６３をクラッドによ
って囲んだ構造になっている。光ファイバからλ１の光
が出射する。広がり角はコアクラッドの屈折率による。
この光は受光素子６４の入射面に入る。光ファイバから
の光λ１は広がるので受光面の広い受光素子（受光面直
径が１００μｍ〜２００μｍ）を使っている。１００μ
ｍ以上であれば、光ファイバから出た光を殆ど全て受光
する事ができる。

【０１０５】この受光素子６４は本発明で用いられる特
別なフォトダイオードである。基板６５の上に受光層６
６があるというように単純化して表現している。しかし
受光層は初めに述べたように窓層と吸収層を含めた概念
である。表面にはリング状のｐ側電極６７がある。裏面
の外周部にリング状ｎ側電極６８がある。裏面の大部分
は開口部となっており、光はこの開口部を通ることがで
きるようになっている。実際には入射光λ１は受光層６
６によって全て吸収されるから裏面には出てこない。

【０１０６】窓層のバンドギャップ、吸収層のバンドギ
ャップを適当に選び波長選択性を賦与し、裏面の電極を
環状にして、光が表面から裏面へ或いは裏面から表面へ
と透過できるようにしたことが本発明のフォトダイオー
ドの特徴である。そこでこのようなフォトダイオードを
ときに波長選択性ＰＤと呼ぶことにしよう。

【０１０７】フォトダイオード６４の後方にλ２の光を
発する半導体レ−ザ７０のチップが設けられる。これは
端面が発光する素子であるから、光軸上に端面が直角に
なるように設置される。半導体レ−ザ７０は基板７１の
上に発光部７２、キャップ部（コンタクト部）７３など
の薄膜をエピタキシャル成長させ、その上にｐ側電極７
５を、基板の下面にｎ側電極７４を付けたものである。
埋め込み型レ−ザの場合は、発光部７４の両側には埋め
込み層がある。また発光層はダブルへテロ構造になって
いる。しかし半導体レ−ザは通常の素子であるから構造
を詳しく説明しない。ｐ側電極からｎ側電極に向けて電
流を流すことによって、レ−ザ発振しλ２の光を発生す
る。

【０１０８】半導体レ−ザからの光λ２は受光素子６４
の裏面から受光素子の基板に入り、受光層６６で全く吸
収されず無損失で通過して、前面に出る。これが光ファ
イバ６２のコア６３に入射する。λ２の波長の送信光に
なる。

【０１０９】ここではλ１＝１．３μｍ、λ２＝１．５
５μｍである。従来のモジュールでは両者に対して十分
な感度を有するＩｎＧａＡｓ受光層を持つ受光素子を使
っていた。本発明はそうではなくて、λ１の近傍の狭い
範囲の波長の光のみを感受しλ２の光を感じないように
する。そのためＩｎＧａＡｓＰを窓層（λｗ）、ＩｎＧ
ａＡｓＰ吸収層（λｚ）が基板であるＩｎＰに格子整合
する条件で組成を決める。λｗ＜λ１＜λｚ＜λ２とす
る。つまり窓層の吸収端波長λｗは１．３μｍより小さ
い。吸収層の吸収端波長λｚは１．３μｍと１．５μｍ
の中間の値を取る。半導体レ−ザの光が無損失で受光素
子を通過できるのは、受光素子の感受波長範囲を極めて
狭くしているからである。

【０１１０】［実施形態例２］図１１に本発明の第
２の例を示す。これはレンズ７７を光ファイバ６２と、
波長選択性フォトダイオード６４の間に挿入してレ−ザ
光を効率よく光ファイバに入射させるようにしたもので
ある。その他の点は第１の例と同じである。

【０１１１】光ファイバ６２から出た光λ１はレンズ７
７によって絞られて波長選択性受光素子６４の受光面に
入る。この光は受光層６６に全て吸収され光電流に変換
される。受光素子６４の背後には半導体レ−ザ７０があ
り、これがより長い波長のλ２の光を発生する。これは
受光素子６４裏面の開口部から受光素子に入りここを無
損失出透過し前面に出る。

【０１１２】レンズによって絞られてレ−ザ光λ２の大
部分が光ファイバ６２のコア６３に入射する。レンズに
よってレ−ザ光と光ファイバの結合を高めている。もち
ろん光ファイバの光が受光素子に入射する割合も増大す
る。

【０１１３】［実施形態３］図１２に第３の例を示
す。レンズ７８がフォトダイオード６４と半導体レ−ザ
７０の間に設けられている。これも半導体レ−ザの光λ
２を光ファイバ６２のコア６３に効率よく入射させるた
めである。半導体レ−ザ７０の光が初めにレンズによっ
て絞られて波長選択受光素子６４を裏面から表面へと透
過する。受光素子の受光面が形態２の場合よりも狭くて
もレ−ザの光ファイバへの結合効率は高い。しかし反面
光ファイバからの光λ１が収束されないので、受光素子
での入射量が減少する可能性がある。必要とされる結合
効率と、受光素子、発光素子チップ、レンズの固定手
段、パッケージの形態、寸法などによって、前レンズ型
の形態２と、後ろレンズ型の形態３の何れの構成を採用
するかという事が決まる。

【０１１４】［実施形態４］本発明の第４の例を図
１３に表す。半導体レ−ザの出力を監視する為のモニタ
用フォトダイオード８５を半導体レ−ザ７０の背後に設
置している。フォトダイオード８５は基板８６の上に受
光層８７を設けたものである。先に述べたように受光層
というのは、バッファ層、吸収層、窓層、ｐ拡散領域な
どを含めた総称である。この上にｐ側電極８８が形成さ
れる。基板８６の裏側にはｎ側電極８９が一面に被覆さ
れる。モニタ用受光素子８５は、本発明の縦続接続受光
素子列とは違う。だから裏面が開口していない。

【０１１５】前方の受光素子６４は本発明のカテゴリー
に属する波長選択受光素子である。光ファイバの中を伝
搬してきた信号光λ１は、受光素子６４によって感受さ
れる。半導体レ−ザ７０の光λ２は、前方と後方にで
る。前方に出射されたλ２はレンズ７９によって収斂
し、受光素子６４を通り、効率よく光ファイバ６２に入
る。送信光である。

【０１１６】後方に出た半導体レ−ザの光λ２はモニタ
用の受光素子８５に入射する。これは受光素子によって
光量が検出される。受光素子８５の光電流によってレ−
ザの発光の安定性を高める事ができる。温度変動などに
よってレ−ザ発光効率が変わる。しかしモニタ用の受光
素子によって温度変化に抗して恒常的な動作を行わせる
ことができる。

【０１１７】［実施形態５］第５の構成例を図１４
によって説明する。二つのレンズ８０、８１を波長選択
受光素子６４の前後に設置する。λ２に対するレンズ８
０の前焦点にコア６２の端面が合致する。λ２に対する
レンズ８１の後焦点に半導体レ−ザ７０の発光端面が位
置する。半導体レ−ザ７０から発生した光λ２はレンズ
８１によって平行光になる。平行ビームとして受光素子
６４を通り抜ける。レンズ８０によってλ２は光ファイ
バコア６３端面に収斂する。レンズ８０の波長分散が多
少あるが、光ファイバからのλ１もほぼ平行になり受光
素子６４に入る。λ２、λ１が平行光になるから、光フ
ァイバ６２、ＰＤ６４、半導体レ−ザ７０の軸線上の位
置を自由に決める事ができる。設計の自由度が高まる。

【０１１８】［実施形態６］第６の実施形態を図１
５によって述べる。フォトダイオード６４の開口裏面に
弓形断面の作り付けレンズ８２を設けている。基板６５
の一部を段階的にエッチングすることによって弓形断面
の隆起を形成することができるのでこれをレンズとす
る。半導体レ−ザの光λ２を収斂させて、光ファイバに
導く事ができる。

【０１１９】［実施形態７］第７の実施形態は、レ
ンズを波長選択ＰＤ６４と光ファイバの間に設けたもの
である。これは図１４でレンズ８１を省いた構造であ
る。図１９によって具体例について述べる。

【０１２０】

【実施例】

［波長選択フォトダイオードチップの実施例］本発明
のポイントの一つはフォトダイオードＰＤチップにあ
る。そこで初めに波長選択ＰＤチップの構造と作り方に
ついて説明する。例として、１．３μｍ光、１．５５μ
ｍ光を使う光通信を取り上げよう。１．３μｍ体の光を
感受し（完全吸収し）、１．５５μｍ帯の光を透過させ
る波長選択ＰＤの構造と製造方法について図１６によっ
て説明しよう。基板９２はｎ型ＩｎＰウエハである。ｎ
−ＩｎＰ基板９２の上に、

【０１２１】ｎ−ＩｎＰバッファ層９３、ｎ−Ｉｎ_0.66
Ｇａ_0.34Ａｓ_0.76Ｐ_0.24（λｚ＝１．４２μｍ）受光層
９４、ｎ−Ｉｎ_0.82Ｇａ_0.18Ａｓ_0.40Ｐ_0.60（λｗ＝
１．１５μｍ）窓層９５を液相エピタキシャル成長させ
る。液相エピタキシャルの他に、ＭＢＥ法、ＭＯＣＶＤ
法、クロライドＶＰＥ法などによっても良い。受光層の
具体的な組成は前記の表示（Ｉｎ_x Ｇａ_1-x Ａｓ_y Ｐ
_1-y ）で、ｘ＝０．６６、ｙ＝０．７６によって与えら
れる。窓層の具体的組成は、ｘ＝０．８２、ｙ＝０．４
０である。

【０１２２】窓層は従来のＩｎＧａＡｓ系ＰＤでは必ず
ＩｎＰ（λｗ＝０．９２μｍ）が用いられたものであ
る。しかし本発明はずっと長い遮断波長（λｗ＝１．１
５μｍ）を持つＩｎＧａＡｓＰ混晶によって窓層を形成
する。それだけでなく、受光層もＩｎＧａＡｓ（λｚ＝
１．６７μｍ）ではなく、より短い吸収端波長のＩｎＧ
ａＡｓＰ（λｚ＝１．４２μｍ）を用いる。

【０１２３】窓層と受光層のバンドギャップλｗ、λｚ
の差（λｚ−λｗ）は、従来例の場合０．７５μｍとか
なり大きい。これが図７の感度の広がりを与えていた。
ところが本発明の場合（λｚ−λｗ）＝０．２７μｍに
なる。極めて感受領域が狭い。厚みの一例を述べる。ｎ
型ＩｎＰ基板３５０μｍ、ｎ型ＩｎＰバッファ層２．５
μｍ、ＩｎＧａＡｓＰ受光層５μｍ、ＩｎＧａＡｓＰ窓
層１．５μｍである。窓層は１〜４μｍの程度であって
よい。受光層は１〜７μｍの程度である。

【０１２４】図１７はこのエピタキシャルウエハの光透
過率を波長の関数として測定した結果を示す。横軸は波
長（μｍ）、縦軸は透過率（相対値％）である。１．５
１μｍ以上の光は完全に透過する。１．３３μｍ以下の
波長の光は全部吸収される。５０％を与えるのは１．４
２μｍであるが、これは吸収層のバンドギャップλｚに
等しい。０．１８μｍの短い波長変化において透過率が
０％から１００％へと急激に変化する。

【０１２５】このようなエピタキシャル層を形成した
後、マスクをして、素子になるべき部分の中央部のみに
ｐ型領域９６を作る。これは亜鉛拡散など公知の方法に
よる。ｐ型領域９６の上にｐ側電極９７をリング状に形
成する。環状ｐ側電極９７によって囲まれる上面を透明
の反射防止膜９８によって被覆する。環状ｐ電極９７の
外側はパッシベーション膜９９によって保護する。

【０１２６】基板９２の裏面にはリング状のｎ側電極１
０１がオーミック接触するように設けられる。中央部が
開口になっている。ここには反射防止膜１０２が設けら
れる。反射防止膜は例えばＳｉＯＮ膜とする。この後ウ
エハを劈開面に沿って切断しチップとする。チップはこ
の後パッケージに実装する。光はチップの裏面開口から
ＰＤの内部に入る事ができるし、表面から入って裏面か
ら出ることもできる。表面の受光面１００から入ってく
る光を受信光とし、裏面から透過する光を送信光とす
る。反射防止膜は裏面から半導体レ−ザの光が入るとき
に反射しないように働く。半導体レ−ザは戻り光によっ
て動作不安定になるから反射防止膜１０２、９８によっ
てレ−ザ光が反射されないようにする。

【０１２７】窓層、吸収層の吸収端波長λｗ、λｚの選
択と、基板裏面の開口の存在が本発明のフォトダイオー
ドを特徴づけるものである。図１８はこのフォトダイオ
ードの波長感度特性を示すグラフである。５Ｖの逆バイ
アスをかけた状態で光を当てて光電流を測定した。感度
は光のパワー（Ｗ）によって光電流（Ａ）を割った値に
よって定義される。感度グラフは立上り部Ｓ、頂部Ｔ、
立ち下がり部Ｕよりなる。図９の従来のフォトダイオー
ドに比較して、感度領域が極めて狭い事が分かる。

【０１２８】立上り部Ｓは１．１５μｍの程度から始ま
る。これは窓層の吸収端（λｗ＝１．１５μｍ）に対応
する。これより短い波長の光は窓層に吸収されて内部に
入らない。窓層吸収が存在するという点が重要である。
窓層吸収のために感度領域を著しく狭くできる。

【０１２９】立下り部Ｕは１．４２μｍの程度である。
これ以上の波長の光は吸収層では吸収できないので当然
感知できないのである。有効感度範囲は１．１５μｍ〜
１．４２μｍの０．１７μｍである。狭い感度領域の中
心に１．３μｍがある。しかし１．５５μｍは感度曲線
の外にある。このフォトダイオードは１．３μｍには高
感度であるが、１．５５μｍには全く感じない。１．３
μｍと１．５５μｍを含む光を受けても、１．３μｍ信
号のみを取り出す事ができるのである。これは１．３μ
ｍに対する感度固有型フォトダイオードである。

【０１３０】［実施例１（球レンズキャップを用いた
モジュール）図１９によって本発明の第１の実施例を述べる。これは
球レンズキャップを用いたモジュールの例である。パッ
ケージの中に一直線上に波長選択性フォトダイオードチ
ップ６４、半導体レ−ザチップ７０、モニタ用ＰＤ８５
が設けられる。実施形態７に該当する。λ１＝１．３μ
ｍ、λ２＝１．５５μｍ、ｎ＝２の例である。

【０１３１】金属製のヘッダ１１１は、例えばコバー
ル、鉄、銅タングステンなどによって作られている。こ
こではコバールのヘッダを用いる。底面には４本のリー
ドピン１１２、１１３、１１４、１１５が設けられる。
グランドピン１１２はヘッダに直接に溶接される。その
他のピンはヘッダの通し穴を貫き、絶縁性の接着剤によ
って固定されている。ヘッダ１１１の隆起したポール１
１９の上頂面にはＰＤ用サブマウント１２０が半田付け
されている。ＰＤ用サブマウント１２０は例えばアルミ
ナ製である。

【０１３２】半田としては金錫（ＡｕＳｎ）、金ゲルマ
（ＡｕＧｅ）、錫鉛（ＳｎＰｂ）などを使う事ができ
る。ここでは金錫半田によって半田付けしている。サブ
マウント１２０の上に波長選択フォトダイオードチップ
６４を半田付けする。光軸に対してチップ面が直交する
ように固定する。ＰＤチップの電極とリードピンがワイ
ヤ１２１によって接続されている。図２０に示すように
サブマウントはコの字型の切り欠き１２８があるが、切
り欠きの部分に受光面１００が位置するように固定す
る。

【０１３３】ポール１１９のすぐ下の側面にはサブマウ
ント１２２が半田によって固定される。ＬＤ用サブマウ
ント１２２は例えば窒化アルミ（ＡｌＮ）である。サブ
マウント１２２の上に半導体レ−ザチップ（ＬＤ）７０
が固定される。ＬＤチップの発光線が光ファイバ６２か
ら延長した光軸に一致するようにしてある。ポール１１
９の下方には傾斜面がある。この傾斜面にサブマウント
１２３が取り付けられる。その上にモニタ用のＰＤ８５
が半田付けされる。モニタＰＤ８５が傾いているのは、
反射光がレ−ザ７０に戻らないようにするためである。

【０１３４】ＰＤチップ６４、ＬＤチップ７０、ＰＤチ
ップ８５はリードピンとワイヤによって接続される。図
２０はＰＤ用のサブマウントの例を示す。図２０（Ａ）
に示すサブマウント１２０は、コの字型の切り欠き１２
８がある。切り欠きは光を通すために設ける。残りの部
分の全面（表面、裏面、側面）にメタライズ１３０があ
る。メタライズ面はポールに直接に半田付けされるから
グランドピン１１２に接続される。ワイヤによる接続を
一つ省くことができる。

【０１３５】このメタライズ面にＰＤ６４の裏面の環状
ｎ電極が接続される。ｐ側電極は３０μｍφの金ワイヤ
１２１によってリードピン１１４に接続される。この例
では受光面１００の直径は２００μｍである。そこで切
り欠きの幅は２５０μｍとなっている。切り欠き１２８
の奥行きは、チップの寸法と同じ５００μｍである。チ
ップをメタライズ面に付けるため半田は金錫を使ってい
る。

【０１３６】図２０（Ｂ）に示すものは一部だけにメタ
ライズしている。ｎ側電極がメタライズに接触する。メ
タライズ面はワイヤによってピン１１５に接続する。ｐ
側電極はワイヤによってリードピン１１４に接続する。
コの字型切り欠きの寸法は、前例と同じく、２５０μｍ
×５００μｍである。図２０（Ｃ）に示すものは円形の
切り欠き１３２を穿孔している。全面にメタライズして
いる。サブマウントの厚みは何れも５００μｍである。
何れのサブマウントの場合も、ポール１１９背面とサブ
マウントの背面が面一になるように位置決めして半田付
けする。特別な位置合わせは不要であった。

【０１３７】次に金属製のキャップを１２４をヘッダに
かぶせ、位置決めし不活性ガス（窒素、アルゴンなど）
を充填した状態で気密シールする。キャップには光を通
す窓が必要である。この窓は、気密封止の為にガラスを
設ける必要がある。平板ガラスでも良い。ここでは球レ
ンズ１２６を用いている。半導体レ−ザ７０から出た光
を光ファイバ６２端面に収斂させ結合効率を上げること
ができる。半導体レ−ザ７０、レンズ１２６、光ファイ
バ６２の軸合わせは重要である。レ−ザを光らせて、光
ファイバに光を導き、光ファイバの他端で光のパワーを
監視する。適当な光量が得られるように調芯してから相
互の部材をそれぞれ固定する。

【０１３８】反面、ＰＤ６４の位置合わせは厳密でなく
てよい。受光面が広いので軸直角方向の位置精度の要求
は緩やかである。また収束光を入れる必要はないので、
軸方向の位置については任意である。通常の光ファイバ
の場合は収束点を受光面に合致させる必要があり位置合
わせが難しいが、本発明の場合はそのようなことはな
い。光ファイバから出た光の集光点は必ずＰＤより下方
にできる。もしも波長分散がないとすればレ−ザ端面が
集光点となる。つまりＰＤ自体に焦点を合わせない。珍
しい光検出の態様である。良く考えれば画像処理をする
のではないから受光素子で焦点を結ぶ必要はないのであ
る。

【０１３９】これは本発明のモジュールの製作をよほど
容易にする。この例では３つの半導体素子があり、レン
ズ、光ファイバと合わせて５つの光学素子がある。これ
らの全てについて最適位置に調芯しなければならないと
すると調芯作業が難しく歩留まりも低くなろう。しかし
実際に調芯しなければならないのは、半導体レ−ザチッ
プ７０、レンズ１２６、光ファイバ６２である。これら
の調芯は発光素子モジュールでの調芯と全く同じであ
る。モニタ用のＰＤは広い受光面を持つから調芯は不要
である。本発明の中心をなす波長選択ＰＤは先述のよう
に調芯の必要はない。

【０１４０】この実施例は半導体レ−ザモジュールに僅
かな工夫を加えるだけで実現することができる。ポール
１１９を少し工夫し、ここにＰＤチップを付け配線する
だけである。それだけのことで、波長多重光双方向通信
を著しく単純化することができる。

【０１４１】その効果を確認するために、１．５５μｍ
用ＬＤ７０に電流を流して発光させ光ファイバ後端で光
パワーを測定した。ＰＤチップ６４がない場合と同じ光
出力を得る事ができた。つまりＰＤ６４の介在がＬＤ７
０と光ファイバ６２の結合に悪影響を及ぼさない。

【０１４２】反対に光ファイバに１．３μｍ光を入れ
て、ＰＤ６４によってその出力を測定した。この場合も
ＰＤチップ単体の場合と同じ光出力を検出した。ＰＤの
受光面が広く面内での感度一様性が高いから、従来の焦
点位置での受光素子による検出と、本発明のように焦点
前置受光素子の検出も全く同じになるのである。レ−ザ
チップ７０の存在が、フォトダイオード６４の性能に影
響しないということである。要するに半導体レ−ザと受
光素子は影響しあう事なく、それぞれの波長の光を発光
し、受光するのである。

【０１４３】［実施例２：（光ファイバ一体化送受信
モジュール）］図１９のモジュールをより使いやすくし
たモジュールの実施例を図２１に示す。これはヘッダの
上にフェルールホルダ−を付け、ヘッダと光ファイバを
一体化したものである。ヘッダ１１１とキャップ１２４
によって囲まれる部分の構造は先ほど説明した実施例１
と同じである。波長選択ＰＤ６４は、サブマウント１２
０を介してポール１１９の頂面に固定してある。メタラ
イズ面１２９はピン１１５とワイヤでつながれる。ｐ側
電極はピン１１４に接続される。レ−ザ７０はポール側
面に軸方向に平行になるよう固定される。

【０１４４】実施例１のレンズキャップ付きのモジュー
ルに加えて、フェルールホルダ−１３３、フェルール１
３６、ベンドリミッタ１３４を含む。フェルール１３６
は筒上の部材であって軸方向の穴に光ファイバの先端を
差し込んで保持する作用がある。フェルールホルダ−１
３３は円筒形の金属部材であって、頂部が縮径しており
軸方向穴が穿孔されている。この穴にフェルール１３６
を差し込んである。端面１３７は８度の傾斜をなすよう
に研磨してある。反射光が光源のレ−ザに戻らないよう
にするためである。

【０１４５】ホルダ−１３３、フェルール１３６は金属
製である。例えばステンレスとする。ベンドリミッタ１
３４は弾性体である。ゴム、プラスチックなどである。
ホルダ−１３３の上頂部にはめ込まれている。フェルー
ルから出た光ファイバ６２が過度に曲がって折れること
のないように保護する作用がある。レ−ザ７０、ＰＤ６
４、レンズなどの調芯は既になされている。ホルダ−１
３３と、フェルール１３６の固定について説明する。

【０１４６】レ−ザダイオード７０に電流を流しこれを
発光させる。図２１のＡの部分でホルダ−１３３をヘッ
ダ１１１に対してすり合わせながら、光ファイバ終端で
の光量を監視する。光量が最大になる点を探してそこで
ホルダ−１３３をヘッダ１１１に対して溶接する。ＹＡ
Ｇレ−ザ溶接、抵抗溶接などである。これは軸直角方向
での調芯である。次にフェルール１３６をホルダ−の穴
において上下に動かし軸方向に結合効率が所定の値にな
る位置を探す。軸方向位置が決まるとＢ点にＹＡＧレ−
ザを照射して、フェルール１３６をホルダ−１３３に対
して溶接する。

【０１４７】このモジュールも実施例１と同様の試験を
して、ＬＤ７０とＰＤ６４がそれぞれ固有の波長におい
て独立に動作する事を確認した。この実施例ではリード
ピンは４本である。しかしリードピンを６本に増やして
も良い。６本に増やすと、ＰＤ６４、ＬＤ７０、モニタ
ＰＤ８５の非グランド電極とリードピンを独立にワイヤ
によって接続する事ができる。非グランド電極が独立に
なるからバイアス回路の選択自由度が増える。

【０１４８】［実施例３（光ファイバを着脱可能にし
たモジュール）］図２２によって、第３の実施例を説明
する。実施例２は光ファイバをモジュールに対して固定
していたが、この実施例は光ファイバを着脱可能にして
いる。そのために、光コネクタにモジュールを取り付け
ている。ＰＤチップ６４、ＬＤチップ７０、ＰＤチップ
８５を取り付けたヘッダ１１１には円筒形のＬＤ固定フ
ランジ１４０が溶接される。

【０１４９】フランジ１４０の前端には、円盤形のホル
ダ−１４１があって、ダミーとなる短い光ファイバ１４
２を支持する。ダミーファイバ１４２のレンズに近い方
の面は斜め研磨してある。半導体レ−ザへ反射光が戻る
のを防ぐためである。ダミーファイバのレンズと反対側
の端部は丸く研磨してある。

【０１５０】ダミーファイバホルダ−１４１、ＬＤ固定
フランジ１４０の端面が、雌型光コネクタ１４３の端面
１４４に、中心軸が同一直線上に並ぶように溶接され
る。雌型光コネクタ１４３は円筒部と広い円形のフラン
ジ１４５を有し、フランジには止めネジ用穴１４６が複
数個穿孔されている。円筒部の外周には雄ネジ部１４７
が形成してある。円筒部の内周には耐摩耗性の優れたス
リーブ１４８が挿入されている。これは例えばジルコニ
アによって作る。円筒部には位置決めのための凹部１４
７が同心円筒状に切り欠かれている。

【０１５１】雄型光コネクタ１５０は、円筒形のハウジ
ング１５１の後端から光ファイバコード１５２を挿入し
たものである。ハウジング１５１の外側には嵌合用の袋
ナット１５３がある。ハウジング１５１の前端には光フ
ァイバの端部１５４を支持するフェルール１５５が固定
される。光ファイバの先端はフェルール先端とほぼ面一
であるが、やや丸みを帯びるように研磨されている。ハ
ウジングの外周一箇所にはキイ１５６があり円周方向の
嵌合位置を決めるようになっている。キイ１５６に対応
する穴が雌型光コネクタに設けられるが図には現れな
い。

【０１５２】雄型光コネクタ１５０を雌型光コネクタ１
４３にはめ込み、袋ナット１５３を雄ネジ部１４７にね
じ込んで行くことによって両者を合体させることができ
る。光ファイバ１５４とダミー光ファイバ１４２が接触
する。光ファイバコード１５２を伝搬してきた信号光は
ダミーファイバ１４２を通り、レンズ１２６、ＰＤ６４
に至りここで全て吸収される。ＬＤ７０で発生した光は
反対にレンズ１２６によって集光されてダミーファイバ
１４２に入射し、さらに光ファイバ１５４に入って基地
局に向けて伝搬する。

【０１５３】この実施例は光ファイバを抜き差しできる
という利点がある。レンズと光ファイバの位置合わせは
ダミーファイバとの間においてなされている。異なる光
ファイバに対してこのモジュールを共通に利用する事が
できる。

【０１５４】［実施例４（箱型パッケージに収納した
例）］図２３、図２４によって箱型パッケージに受光素
子発光素子を収納した実施例を説明する。これも光ファ
イバの光軸の軸線上に、波長選択受光素子６４、半導体
レ−ザ７０、モニタ用ＰＤ８５を並べたものである。円
筒形のパッケージではなくて、コバールの箱型パッケー
ジ１６０、キャップ１６１にこれらの素子を収納したモ
ジュールである。実際には、箱型のパッケージ本体１６
０の内部にこれらの電気光学素子を取り付けた窒化アル
ミ（ＡｌＮ）のサブマウント１６２を固定する。

【０１５５】サブマウント１６２は前端部１６３に波長
選択性ある１．３μｍ用の受光素子６４を端面と平行に
なるように備える。その後ろには三角形状の切り欠き１
６４がある。それに平坦部１６５が続きさらに傾斜した
隆起部１６６が設けられる。

【０１５６】隆起部１６６にはメタライズ１６７を介し
てモニタ用フォトダイオードチップ８５が取り付けられ
る。その前にある平坦部１６５には、サブマウント１６
８を固着しさらに１．５５μｍ光を発生するレ−ザダイ
オードチップ７０がボンドされている。それより前方の
三角形（Ｖ溝）の切り欠き部には集光レンズ１７０が固
定される。Ｖ溝がレンズの位置決めをする。サブマウン
ト１６２の前端部には狭い受光範囲をもつ（波長選択
性）受光素子６４がサブマウント１６９を介して取り付
けられる。これは１．３μｍ光を受光するものである。
１．５５μｍ光は無損失で透過する。

【０１５７】パッケージ本体１６０には、６つのピン１
７１、１７２、１７３、１７４、１７５、１７６がパッ
ケージと絶縁して設けられている。パッケージの前方に
は、軸方向の通し穴１７７があって、ここに光ファイバ
コード１７８が挿入される。光ファイバ１７９の前端が
波長選択受光素子６４に対向する。光ファイバの端部１
８０が斜めに研磨されている。これは半導体レ−ザの反
射光がレ−ザに戻らないようにするためである。

【０１５８】サブマウント１６２にはこのように段差、
溝、隆起などが予め形成されているので容易に素子の位
置決め固定を行う事ができる。さらにサブマウント１６
２の上面にはメタライズ１８１、１８２、１８３、１８
４、１８５、１８６など配線パターンが形成されてい
る。受光素子６４のｎ電極はメタライズ１８６に半田付
けされる。メタライズ１８６はワイヤ１９６によってピ
ン１７６に接続される。受光素子６４のｐ電極はワイヤ
によってメタライズ１８１に接続され、メタライズ１８
１はワイヤ１９１によってピン１７１につながる。

【０１５９】ＬＤチップ７０はメタライズ１８５に半田
付けされる。メタライズ１８５はワイヤ１９５によって
ピン１７５に接続されている。ＬＤのもう一つの電極は
ワイヤ１９７によってメタライズ１８２につながれる。
これはワイヤ１９２によってピン１７２に接続してい
る。

【０１６０】モニタＰＤ８５はメタライズ１８４に半田
付けされる。メタライズ１８４はピン１７４とワイヤ１
９４によって結ばれる。ＰＤ８５の他の電極はワイヤ１
９８、メタライズ１８３、ワイヤ１９３によってピン１
７３に接続される。実際には、サブマウントにこれらの
チップを全て半田付けし、レンズをエポキシ樹脂によっ
て固定した後、サブマウントをパッケージに半田付けす
る。さらに金線によって、これらの素子の電極とメタラ
イズ面、ピンなどをワイヤボンデイングする。

【０１６１】次に、光ファイバとパッケージの固定部は
少し緩めにしておき、ＬＤを発光させ、光ファイバの他
端で光量を測定する。光ファイバを軸方向に動かして光
量変動を軸方向距離の関数として測定し、所望の結合効
率が得られる位置に光ファイバを固定する。エポキシ樹
脂によって光ファイバを穴１７７に対して固定するので
ある。その後、乾燥した窒素雰囲気でキャップ１６１を
本体１６０に接着した。これはシームシール法によっ
た。

【０１６２】光ファイバに外部から１．３μｍの信号光
を入れ、半導体レ−ザ（１．５５μｍ）を発光させて、
波長選択受光素子６４によって１．３μｍ光を検出し
た。チップ単体での感度特性と全く同一であって、ＰＤ
もＬＤもそれぞれの波長において独立に動作することが
確認された。

【０１６３】この実施例の特別な効果を述べる。（１）外形が箱型であるために、プリント基板に容易に
実装する事ができる。（２）パッケージの形状を大きくする事によって、パッ
ケージ内にレ−ザの駆動回路や、ＰＤの出力回路の増幅
回路をも収納することができる。（３）信号処理回路をも含めた小型化が可能になる。

【０１６４】［実施例５（二つの受光素子と一つの発
光素子：ｎ＝３）］図２５はｎ＝３の場合の実施例を示
す。光ファイバ６２に対向して、１．３μｍ選択フォト
ダイオード２００が設けられる。これは裏面が開口し、
窓層、吸収層の吸収端λｗ１、λｚ１の間に１．３μｍ
（λｗ１＜１．３μｍ＜λｚ１）があり、吸収端の差が
極めて小さいようにしたものである。その後に１．４６
μｍ選択フォトダイオード２０１が設けられる。これも
裏面が開口し、窓層、吸収層の吸収端の差が小さく、そ
れらが１．４６μｍの前後にある（λｗ２＜１．４６μ
ｍ＜λｚ２）。

【０１６５】そしてこれらの後に１．５５μｍの半導体
レ−ザ７０が設けられる。レ−ザ光は、１．４６μｍＰ
Ｄ、１．３μｍＰＤを通り抜けて光ファイバに入射す
る。これは送信信号を与える。光ファイバの中には１．
３μｍ、１．４６μｍの信号が伝搬されてくる。これら
が二つの受光素子２００、２０１によって独立に検出さ
れる。このような構成は、例えばＴＶのアナログ信号を
１．３μｍ光で、デジタル信号を１．４６μｍ光によっ
て基地局から送信し、加入者が１．５５μｍ光によって
デジタル信号の電話信号、ＴＶのチャンネル選択信号を
基地局に送ったりするシステムに利用できる。

【０１６６】［実施例６（横型フォトダイオードの
例）］これまで説明してきたものは、環状電極によって
囲まれた面に光が入射し、裏面の環状電極によって囲ま
れた面から光が出射するようになっていた。しかしこれ
に限らず、フォトダイオードは横型にしても使う事がで
きる。図２６によってそのような構造のフォトダイオー
ド２１０を説明する。

【０１６７】ｎ−ＩｎＰ基板２１１の上に、ｎ−ＩｎＰ
バッファ層２１２、ＩｎＧａＡｓＰ窓層２１３（λｚ＝
１．４２μｍ）、ＩｎＧａＡｓＰ受光層２１４（λｗ＝
１．１５μｍ）をエピタキシャル成長させる。素子中央
部に亜鉛を拡散し、ｐ型領域２１５を製作する。ｐ型領
域には環状ではなくて面型のｐ側電極２１６を付ける。
さらに基板の裏面全体にｎ側電極２１７を設ける。光は
吸収層の横から入れるようにする。横型フォトダイオー
ドによっても本発明を構成する事ができる。

【０１６８】図２７は横型フォトダイオード２１０と、
半導体レ−ザ７０を表面が光軸に平行になるように並べ
た送受信モジュールである。基地局から送られる信号光
は１．３μｍ光であって、これは全てはじめのＰＤによ
って吸収される。半導体レ−ザは１．５５μｍ光を出射
する。これはＰＤ２１０の内部を損失なく透過する。

【０１６９】横型フォトダイオードによっても本発明の
モジュールを構成する事ができる。これに対して表面入
射型のものを縦型フォトダイオードと呼ぶ事にする。横
型フォトダイオードをｎ個使って（λ１＜λ２＜λ３
＜、…、＜λｎ）受光素子だけのモジュールをも作る事
ができる。その利点は、

【０１７０】（１）サブマウントやヘッダのポールの面
にｎ個の受光素子を単に並べれば良い。光軸がサブマウ
ント、ポールの面に平行になるからである。半導体レ−
ザと共に使う場合は、光の方向が揃うので図２７のよう
になる。何れ場合も実装がより容易である。

【０１７１】（２）フォトダイオードの中での光路が長
くなるので、λｊの光の吸収がより完全になる。フォト
ダイオードの受光層は数μｍの厚みしかないが、長さは
数百μｍある。（３）窓層は光を吸収する作用がないから、λｗ＜λｊ
という条件がなくなる。窓層も吸収層と同じ材料であっ
ても良い。材料の種類を減らす事ができる。などであ
る。

【０１７２】反面、次のような欠点もある。（１）基板やバッファ層へ入った光は吸収されずそのま
ま通り抜ける。複数の信号を受信する場合などは波長選
択性が必要である。ために基板やバッファ層、窓層を光
が通らないようにしなければならない。狭い吸収層に光
を絞って入射する必要がある。高さ方向の位置合わせが
難しい。また十分に光を絞らなくてはいけない。シング
ルモードファイバの直径が１０μｍの程度であるが、受
光素子の吸収層は４μｍ以下の事が多い。しかも長さは
数百μｍある。これに光を通す事は難しい。

【０１７３】（２）短い波長の光がそれよりも後ろの受
光素子に入ると混信を引き起こす。また波長の短い光が
半導体レ−ザに入ると半導体レ−ザをさらに励振するの
で送信信号が乱れる。

【０１７４】これを防ぐ為に次のような手段が可能であ
る。（い）吸収層を厚くする。（ろ）受光素子の端面を、吸収層を残して被覆してしま
う。（は）受光素子の基板やバッファ層、窓層のバンドギャ
ップが、吸収層のバンドギャップよりも狭くなるように
する。そうすれば、集光や位置合わせの困難などが少な
くなる。これはＩｎＰを基板とする場合は不可能である
ように見える。

【０１７５】しかしＧａＡｓを基板とする混晶を使えば
これは可能である。ＡｌＧａＡｓ混晶はＧａＡｓと格子
整合し、バンドギャップはいずれもＧａＡｓよりも大き
い。ＧａＡｓ基板上にＡｌＧａＡｓの吸収層を持つ受光
素子を作れば、吸収層以外に光が分散してもこれらの層
によって吸収される。波長選択性が得られるのである。
このようなＧａＡｓフォトダイオードは例がない。しか
し今まで需要がないので作製されなかったのにすぎな
い。製造技術は熟している。

【０１７６】

【発明の効果】本発明は、異なる波長（λ１＜λ２＜λ
３＜、…、＜λｎ）の光を用いる光通信において、窓
層、吸収層のバンドギャップの差異が小さく専用の狭い
感度領域をもつ受光素子を波長の順に直列に並べ、さら
にその後ろに専用の発光波長を持つ発光素子を波長の順
に一つあるいは複数個並べたものである。本発明は直列
光路を構成する。

【０１７７】従来のように光路を空間的に分離して並列
光路とする必要がなく、波長分波器が全く不要である。
また誘電体多層膜のように不要波長光を排除するための
素子も要らない。

【０１７８】ｎ＝２の場合でいうと、従来は図５に示す
ように、分波器２１、ＬＤモジュール２５、ＰＤモジュ
ール２７の３つの部材が必要であった。ところが本発明
の場合、ただひとつの送受信モジュールによって構成で
きる。図２８にその形態を示す。光ファイバ１６は光コ
ネクタ１７によって、送受信モジュール２２０に接続さ
れる。送受信モジュールは先述の実施例で説明したもの
である。

【０１７９】図５と図２８を見比べてみれば本発明のモ
ジュールが分品点数が少なく、製造工数も少ないので、
低価格化が可能となる。低価額化によって光加入者系の
普及を促進する事ができる。さらに、分波器やファイバ
の接続部分の損失もなくて、優れた性能の光送受信モジ
ュールを提供する事ができる。

【０１８０】受光素子と発光素子はいずれも単色性を備
えており、波長の順（λ１＜λ２＜λ３＜、…、＜λ
ｎ）に並んでいるから、これら受光素子、発光素子は独
立に動作する。個別に製作された従来のモジュールと同
等以上の性能を発揮する。実施例に述べたものは本発明
の一部の例にすぎない。このモジュールの構成は実施例
に述べられたものに限定されない。パッケージの形状、
レンズの有無、レンズの種類、キャップの接続などは任
意である。

【０１８１】異なる波長の組み合わせについても、目的
によって自在に選ぶことができる。ｎ＝２であって、受
光素子が一つ、発光素子が一つの最も単純な場合でも、
例えば次の組み合わせができる。（１）１．３μｍ／１．５５μｍ（２）１．３μｍ／１．４６μｍ（３）１．４６μｍ／１．５５μｍ（４）０．９μｍ／１．３μｍ

【０１８２】同じ組み合わせは、ｎ＝２であって、両方
とも受光素子である場合にも適用する事ができる。さら
に、ｎ＝３であって、受光素子が二つ、発光素子が一つ
の場合に、次の組み合わせが可能である。

【０１８３】（５）１．３μｍ／１．４６μｍ／１．５５μｍつまり１．３μｍ用のＰＤ、１．４６μｍ用のＰＤ、
１．５５μｍのＬＤを直列に配置することによって３つ
の信号を独立に送受信できるモジュールとなる。

【０１８４】もちろんｎが３より大きい事も可能であ
る。単色性の受光素子、発光素子は上記以外の波長にお
いても製造することができる。３以上の光を利用した光
通信の要求があれば本発明のモジュールを直ちに役立て
ることができる。波長と１対１対応する受光素子、ある
いは発光素子を使う。発光素子はもともと単一波長性が
あるが、受光素子にはない。本発明は波長と受光素子を
１対１対応させるから、必要な波長の組に応じて任意に
受光素子を選ぶ事ができ、柔軟性がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】波長多重双方向通信の概略説明図。

【図２】λ１とλ２の光を分波器によって結合して１本
の光ファイバにλ１＋λ２として導くような分波器の説
明図。

【図３】λ１とλ２の光を互いに分波器の反対側から入
れて、一方の側では同じファイバに、他方の側では異な
る側に取り出すようにした分波器の説明図。

【図４】多層膜ミラーを利用した分波器の説明図。

【図５】従来の加入者側の光送受信モジュールの構成
例。

【図６】従来例に係る半導体発光素子の縦断面図。

【図７】従来例に係る半導体受光素子の縦断面図。

【図８】従来例に係るフォトダイオードの縦断面図。

【図９】従来のフォトダイオードチップの感度特性図。

【図１０】光ファイバ光軸上に波長選択受光素子と半導
体レ−ザを直列に並べた本発明の光送受信モジュールの
第１の構成例を示す図。

【図１１】光ファイバ光軸上にレンズ、波長選択受光素
子と半導体レ−ザを直列に並べた本発明の光送受信モジ
ュールの第２の構成例を示す図。

【図１２】光ファイバ光軸上にレンズ、波長選択受光素
子と半導体レ−ザを直列に並べた本発明の光送受信モジ
ュールの第３の構成例を示す図。

【図１３】光ファイバ光軸上に波長選択受光素子、レン
ズ、半導体レ−ザ、モニタ用受光素子を直列に並べた本
発明の光送受信モジュールの第４の構成例を示す図。

【図１４】光ファイバ光軸上にレンズ、波長選択受光素
子、レンズ、半導体レ−ザ、モニタ用受光素子を直列に
並べた本発明の光送受信モジュールの第５の構成例を示
す図。

【図１５】光ファイバ光軸上に、波長選択受光素子、受
光素子に作り付けのレンズ、半導体レ−ザを直列に配置
した、本発明の光送受信モジュールの第６の構成例を示
す図。

【図１６】１．３μｍ光のみを検出し、１．５５μｍ光
を感じない本発明の波長選択受光素子の断面図。

【図１７】図１６の受光素子の基板、エピタキシャル層
の光透過率の波長依存性を示すグラフ。

【図１８】本発明に実施例に係る１．３μｍ選択受光素
子の波長感度特性を示すグラフ。

【図１９】金属ヘッダに受光素子、半導体レ−ザを収納
した本発明の第１の実施例に係る光送受信モジュールの
縦断面図。

【図２０】図１９のモジュールにおいて波長選択フォト
ダイオードをサブマウントに取り付けたものの平面図。
（ａ）がサブマウントの全面にメタライズしたもの。
（ｂ）がサブマウントの一部にメタライズしたもの。
（ｃ）が円穴を穿孔したサブマウント。

【図２１】光ファイバと、素子を取り付けたヘッダを一
体化した本発明の第２の実施例に係る光送受信モジュー
ルの縦断面図。

【図２２】光ファイバと、素子を取り付けたヘッダを結
合分離可能とした、第３の実施例に係る光送受信モジュ
ールの縦断面図。

【図２３】サブマウントに取り付けた素子を箱型のパッ
ケージに収納した本発明の第４の実施例に係る光送受信
モジュールの平面図。

【図２４】第４の実施例に係る光送受信モジュールの縦
断面図。

【図２５】二つの受光素子と一つの発光素子を直列に並
べた本発明の第５の実施例を示す概略構成図。

【図２６】本発明において用いられる横型フォトダイオ
ードの縦断面図。

【図２７】横型フォトダイオードと半導体レ−ザを直列
に設置した本発明の第６の実施例を示す概略構成図。

【図２８】本発明によって簡略化された光送受信モジュ
ールの構成図。

【図２９】本発明のよって立つ原理を説明するための真
性半導体のバンド図。

【図３０】本発明のよって立つ原理を説明する為の、浅
い不純物準位を有する半導体のバンド図。

【図３１】複数の波長選択性ある（単色性ある）受光素
子を波長の短いものから順に直列に並べた本発明の光受
信モジュールの構成原理図。

【図３２】複数の波長選択性ある（単色性ある）受光素
子を波長の短いものから順に直列に並べこれに続いて複
数の単色性ある発光素子を波長の短いものから順に並べ
た本発明の光送受信モジュールの構成原理図。

【図３３】複数の波長選択性ある（単色性ある）受光素
子を波長の短いものから順に直列に並べこれに続いて一
つの発光素子を設けた本発明の光送受信モジュールの構
成原理図。

【符号の説明】

１光ファイバ２分波器３光ファイバ４分波器５光ファイバ６光ファイバ７光ファイバ１０波長分波器の結合部１１光ファイバ１３ガラスブロック１４ガラスブロック１５誘電体多層膜１７光コネクタ２０光ファイバの結合部２１光ファイバ型波長分波器２２光コネクタ２３光コネクタ２５発光素子モジュール２７受光素子モジュール２８発光素子モジュール２９半導体レ−ザチップ３０受光素子チップ３１隆起部３２ヘッダ３３ピン３４キャップ３５窓３６レンズホルダ− ３７レンズ３８ハウジング３９フェルール４０光ファイバ４１受光素子チップ４２ヘッダ４３ピン４４キャップ４５窓４６レンズホルダ− ４７レンズ４８ハウジング４９フェルール５０光ファイバ５１フェルールの斜め端面５２ｎ型ＩｎＰ基板５３ｎ型ＩｎＰバッファ層５４ｎ型ＩｎＧａＡｓ受光層５５ｎ型ＩｎＰ窓層５６亜鉛拡散層５７環状ｐ側電極５８反射防止膜５９パッシベーション膜６０入射光６１ｎ電極６２光ファイバ６３コア６４波長選択ＰＤチップ６５基板６６受光層６７環状ｐ側電極６８環状ｎ側電極７０半導体レ−ザチップ７１ｎ型基板７２発光部７３コンタクト部（キャップ部）７４ｎ側電極７５ｐ側電極７７レンズ７８レンズ７９レンズ８０レンズ８１レンズ８２レンズ８５モニタ用フォトダイオード８６基板８７受光層８８ｐ側電極８９ｎ側電極９２ｎ型ＩｎＰ基板９３ｎ型ＩｎＰバッファ層９４ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ受光層（λｚ＝１．４２μ
ｍ）９５ｎ型ＩｎＧａＡｓＰ窓層（λｗ＝１．１５μｍ）９６Ｚｎ拡散領域９７環状ｐ側電極９８反射防止膜９９パッシベーション膜１００受光面１０１ｎ側電極１０２反射防止膜１１１ヘッダ１１２リードピン１１３リードピン１１４リードピン１１８絶縁性接着材１１９ポール１２０ＰＤ用サブマウント１２１ワイヤ１２２ＬＤ用サブマウント１２３ＰＤ用サブマウント１２４キャップ１２６レンズ１２８切り欠き１２９部分メタライズ１３０全体メタライズ１３２通し穴１３３フェルールホルダ− １３４ベンドリミッタ１３６フェルール１３７斜め研磨端面１４０ＬＤ固定フランジ１４１ダミーファイバホルダ− １４２ダミーファイバ１４３雌型光コネクタ１４５フランジ部１４６止めネジ用穴１４７雄ねじ部１４８スリーブ１５０雄型光コネクタ１５１ハウジング１５２光ファイバコード１５３嵌合用袋ナット１５４光ファイバ１５５フェルール１５６方向を決めるためのピン１６０箱型パッケージ本体１６１キャップ１６２サブマウント１７０レンズ２００１．３μｍ波長選択フォトダイオードチップ２０１１．４６μｍ波長選択フォトダイオードチップ２１０横型フォトダイオードチップ２１１ｎ型ＩｎＰ基板２１２ｎ型ＩｎＰバッファ層２１３ＩｎＧａＡｓＰ受光層（吸収層）２１４ＩｎＧａＡｓＰ窓層２１５亜鉛拡散層２１６ｐ側電極２１７ｎ側電極２１８パッシベーション膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 31/0232 Ｈ０１Ｌ 27/14 ＪＨ０１Ｓ 3/18 31/02 Ｃ // Ｈ０１Ｌ 31/10 31/10 Ｄ (72)発明者藤村康大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ｎ個の波長の光（λ１＜λ２＜λ３＜、
…、＜λｎ）による双方向通信を行うために用いる光送
受信モジュールにおいて、波長の短い方から（ｎ−１）
の波長の光（λ１＜λ２＜λ３＜、…、＜λｎ−１）を
受信する（ｎ−１）個の受光素子Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、
…、Ｄｎ−１と、最も長い波長の光λｎを発生する一つ
の半導体レ−ザＬｎとよりなり、波長の短いものから順
に光軸にそって直列に配列され、受光素子は半導体基
板、受光層、窓層、基板裏面の環状電極、表面側の環状
電極を有し表面側から裏面側、或いは裏面側から表面側
に光が通過できるような電極構造になっており、１番目
の受光素子の窓層の吸収端波長をλｗ１、受光層の吸収
端波長をλｚ１とすると、これはλｗ１＜λ１＜λｚ１
＜λ２を満足し、ｊ番目の受光素子の窓層の吸収端波長
をλｗｊ、受光層の吸収端波長をλｚｊとするとき、λ
ｊ−１＜λｗｊ＜λｊ＜λｚｊ＜λｊ＋１（ｊ＝２、
…、ｎ−１）の関係を満足するようにして、ｊ番目の受
光素子はλｊのみを感受しそれ以上の波長の光は透過さ
せることとし、受光素子は受光する光の波長に短いもの
から順にＤ１、Ｄ２、Ｄ３、…、Ｄｎ−１となるように
光軸上に直列に配列され、ｎ−１番目の受光素子の後に
λｎの波長の光を発生する発光素子を光軸上に配列した
ことを特徴とする光送受信モジュール。
【請求項２】ｎ＝２であって、ふたつの波長の光λ
１、λ２による双方向通信を行うために用いる光送受信
モジュールにおいて、受信する波長帯（λ１の波長帯）
に感度を有し、それより長い波長帯の光（λ１＜λ）を
直線に沿って透過させるフォトダイオードＤ１と、その
透過する波長帯の長い方の波長帯（λ２の波長帯）で発
光する半導体レ−ザＬ２とよりなり、前記フォトダイオ
ードＤ１を構成する半導体層の基礎吸収端のバンドギャ
ップエネルギーＥｇ１が前記半導体レ−ザの発光層のバ
ンドギャップエネルギーＥｇ２より大きく、かつ前記フ
ォトダイオードが受信すべき光を受ける側にあり、さら
にその後方に半導体レ−ザが配置されている事を特徴と
する請求項１に記載の光送受信モジュール。
【請求項３】送受信光を伝搬する光ファイバと、上記
フォトダイオードと上記半導体レ−ザとをこの順に直線
上に配置してなることを特徴とする請求項２に記載の光
送受信モジュール。
【請求項４】光ファイバとフォトダイオードの間にレ
ンズを配置したことを特徴とする請求項３に記載の光送
受信モジュール。
【請求項５】フォトダイオードと半導体レ−ザの間に
レンズを配置したことを特徴とする請求項１、２または
３に記載の光送受信モジュール。
【請求項６】フォトダイオードの前後にレンズを配置
したことを特徴とする請求項２または３に記載の光送受
信モジュール。
【請求項７】半導体レ−ザと対向する側のフォトダイ
オードの基板面に作りつけレンズを配置した事を特徴と
する請求項１または２に記載の光送受信モジュール。
【請求項８】半導体レ−ザの後方にモニタ用フォトダ
イオードを配置したことを特徴とする請求項１〜７の何
れかに記載の光送受信モジュール。
【請求項９】レンズ付きキャップと受信用フォトダイ
オードと、半導体レ−ザチップと、モニタ用フォトダイ
オードをこの順に光の進行方向に沿ってヘッダー上に配
置したことを特徴とする請求項２に記載の光送受信モジ
ュール。
【請求項１０】半導体レ−ザ、受信用フォトダイオー
ド、モニタ用フォトダイオードの何れか或いは全てがサ
ブマウントを介してヘッダーに固定されていることを特
徴とする請求項９に記載の光送受信モジュール。
【請求項１１】光ファイバ先端を保持するフェルール
と、フェルールホルダ−とを、ヘッダに取り付けピグテ
イル型のモジュールとしたことを特徴とする請求項９ま
たは１０に記載の光送受信モジュール。
【請求項１２】ダミーファイバを取り付けたＬＤ固定
フランジをヘッダに取り付け、ＬＤ固定フランジには雌
型光コネクタを固着し、光ファイバの先端は雄型光コネ
クタに固定して、光コネクタを合体させると、光ファイ
バの先端がダミーファイバに連続し、光ファイバからヘ
ッダに取り付けた受光素子へ信号光を送り、ヘッダに取
り付けた半導体レ−ザから出た信号光を光ファイバに導
く事ができるようになっている事を特徴とする請求項９
又は１０に記載の光送受信モジュール。
【請求項１３】一つのサブマウントに光の進行方向に
沿って、受信用フォトダイオード、レンズ、半導体レ−
ザ、モニタ用フォトダイオードをこの順に配置し、箱形
パッケージに固定した後、光ファイバと光軸あわせをし
て、これを固定し、キャップで気密シ−ルすることを特
徴とする請求項３に記載の光送受信モジュール。
【請求項１４】受信用フォトダイオードが、１．３μ
ｍ帯に感度を有し、１．５５μｍ帯に感度を有せず透過
する事を特徴とし、半導体レ−ザが１．５５μｍ帯光を
発光する事を特徴とする請求項１〜１３項の何れかに記
載の光送受信モジュール。
【請求項１５】受信用フォトダイオードチップの受光
層がＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．４２μｍ）より成るこ
とを特徴とする請求項１４に記載の光送受信モジュー
ル。
【請求項１６】受信用フォトダイオードチップが、Ｉ
ｎＰ基板の上に、ＩｎＰバッファ層、ＩｎＧａＡｓＰ
（λｇ＝１．４２μｍ）受光層、ＩｎＧａＡｓＰ（λｇ
＝１．１５μｍ）窓層からなり、Ｐ／Ｎ電極が光の透過
を妨げないように中心部を除いた部分に形成されている
事を特徴とする請求項１４に記載の光送受信モジュー
ル。
【請求項１７】受信用フォトダイオードチップの光の
入射面に、１．３μｍ帯〜１．５５μｍ帯の波長の光を
透過する反射防止膜を形成し、基板面に１．５５μｍ帯
を透過する反射防止膜を形成した事を特徴とする請求項
１５に記載の光送受信モジュール。
【請求項１８】フォトダイオードの窓層がＩｎＰ（λ
ｇ＝０．９２μｍ）層であることを特徴とする請求項１
５または請求項１７に記載の光送受信モジュール。
【請求項１９】ｎ個の波長の光（λ１＜λ２＜λ３
＜、…、＜λｎ）による双方向通信を行うために用いる
光送受信モジュールにおいて、波長の短いほうからｊ個
の波長の光（λ１＜λ２＜λ３＜、…、＜λｊ）を受信
するｊ個の受光素子Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、…、Ｄｊと、残
りの光のうち波長の短い方から順に（ｎ−ｊ）個の波長
の光（λｊ＋１＜λｊ＋２＜、…、＜λｎ）を発生する
（ｎ−ｊ）個の発光素子Ｌｊ＋１、…Ｌｎとよりなり、
受光素子は半導体基板、受光層、窓層、基板裏面の環状
電極、表面側の環状電極を有し表面側から裏面側、或い
は裏面側から表面側に光が通過できるような電極構造に
なっており、１番目の受光素子の窓層の吸収端波長をλ
ｗ１、受光層の吸収端波長をλｚ１とすると、これはλ
ｗ１＜λ１＜λｚ１＜λ２を満足し、ｉ番目の受光素子
の窓層の吸収端波長をλｗｉ、受光層の吸収端波長をλ
ｚｉとするとき、λｉ−１＜λｗｉ＜λｊ＜λｚｉ＜λ
ｉ＋１（ｉ＝２、…、ｊ−１）の関係を満足するように
して、ｉ番目の受光素子はλｉのみを感受しそれ以上の
波長の光は透過させることとし、受光素子は受光する光
の波長に短いものから順にＤ１、Ｄ２、Ｄ３、…、Ｄｊ
となるように光軸上に直列に配列され、発光素子Ｌｊ＋
１、Ｌｊ＋２、…Ｌｎは半導体基板、発光層を含み、ｋ
番目の素子はλｋの波長の光を発生し、λ＜λｋの光は
全て透過するようになっており、ｊ番目の受光素子Ｄｊ
の後に、波長の短いものから順に発光素子Ｌｊ＋１、Ｌ
ｊ＋２、…Ｌｎが光軸上に直列に配列されている事を特
徴とする光送受信モジュール。
【請求項２０】ｎ個の波長の光（λ１＜λ２＜λ３
＜、…、＜λｎ）による双方向通信を行うために用いる
光送受信モジュールにおいて、波長の短い方からｎ個の
波長の光（λ１＜λ２＜λ３＜、…、＜λｎ）を受信す
るｎ個の受光素子Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、…、Ｄｎよりな
り、それぞれの受光素子は半導体基板、受光層、窓層、
基板裏面の環状電極、表面側の環状電極を有し表面側か
ら裏面側、或いは裏面側から表面側に光が通過できるよ
うな電極構造になっており、１番目の受光素子の窓層の
吸収端波長をλｗ１、受光層の吸収端波長をλｚ１とす
ると、これはλｗ１＜λ１＜λｚ１＜λ２を満足し、ｊ
番目の受光素子の窓層の吸収端波長をλｗｊ、受光層の
吸収端波長をλｚｊとするとき、λｊ−１＜λｗｊ＜λ
ｊ＜λｚｊ＜λｊ＋１（ｊ＝２、…、ｎ）の関係を満足
するようにして、ｊ番目の受光素子はλｊのみを感受し
それ以上の波長の光は透過させることとし、受光素子は
受光する光の波長に短いものから順にＤ１、Ｄ２、Ｄ
３、…、Ｄｎとなるように光軸上に直列に配列されてい
る事を特徴とする光送受信モジュール。