JPH11204823A

JPH11204823A - 光受信モジュ−ルおよび光送受信モジュ−ル

Info

Publication number: JPH11204823A
Application number: JP10017775A
Authority: JP
Inventors: Miki Kuhara; 美樹工原; Mitsuaki Nishie; 光昭西江
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1998-01-13
Filing date: 1998-01-13
Publication date: 1999-07-30

Abstract

(57)【要約】【課題】光分波器を不要とし構造が簡単で低コストの
光受信モジュールを提供すること。【解決手段】表面と裏面に透過窓を有するパッケージ
の中に、半透過型ＰＤと増幅器とをそなえ、一方の透過
窓から入った光の一部が半透過型ＰＤを通過して他方の
透過窓へと出るようにしてある。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は光双方向通信に用
いられる光受信モジュール及び光送受信モジュールの改
良に関する。特に光を分岐する光分波器を不要とした光
受信モジュールを与える事を目的とする。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバの伝送損失が低下し、半導体
レ−ザ（ＬＤ）や半導体受光素子（ＰＤ）の特性が向上
したことによって、光を、特に１．３μｍや１．５５μ
ｍの波長の光を用いた光信号による（電話、ファクシミ
リ、テレビ画像など）通信が盛んになりつつある。これ
を一般に光通信という。なかでも最近は一本の光ファイ
バによって双方向に信号を同時にやり取りするシステム
が検討されている。この方式の利点は光ファイバが一本
で済むことである。図１はこのような方式のうち、一波
長（λ）による双方向通信の原理図である。このシステ
ムは局側、加入者側に光分波器２、４が必要である。局
側では電話やファクシミリの信号をデジタル信号あるい
はアナログ信号として増幅した後、半導体レ−ザＬＤ１
を駆動し、波長λの光の強弱の信号として、光ファイバ
１に送り込む。

【０００３】光信号は光分波器２によって光ファイバ３
に入る。この下り信号はファイバの中を伝搬して加入者
側へと分配される。光ファイバ３は加入者である各家
庭、オフィス、工場等に張り巡らされている。このよう
に局側から、加入者側に信号が送られる方向を下り系と
呼ぶ。加入者側では、光分波器４によって下り信号を光
ファイバ５に取りだし受光素子ＰＤ２により受信する。
ＰＤ２は受信した光信号を電気信号に変え増幅し、信号
処理を施し、電話の音声や、ＦＡＸ信号として再生す
る。これは下り系の話しである。

【０００４】上り系について述べる。加入者側は、電話
の音声信号やファクシミリの画像信号を局側に向けて送
信する。波長λの光を出す半導体レ−ザＬＤ２を電話信
号やＦＡＸ信号によって変調し、光ファイバ６、光分波
器４、光ファイバ３を通して局側へ光信号として伝送す
る。局側は、この光信号を光分波器２によって光ファイ
バ７に取りだしＰＤ１によって受信する。これを電気信
号に変えて交換器や信号処理回路に送り込む。このよう
に加入者側から局側へ信号を送る方向を上り系と呼ぶ。
一つの波長の光を使っているのでは、上り、下りの信号
伝送を同時にすることができない。そこで上り下りの信
号を異なる時刻に交互に伝送する。このような時分割の
伝送をピンポン伝送と呼ぶ。

【０００５】このように、１本の光ファイバを使って、
一つの波長の光を用いて、双方向通信するには、局側、
加入者側のどちらにも光路を分離するための機能素子が
必要である。図１では光分波器２、４が光路分離の役割
を果たす。光分波器は波長λの光を一本の光ファイバに
まとめて導入することができる。反対に１本の光ファイ
バを伝搬する波長λの光を異なる２本の光ファイバに分
配することも可能である。１本の光ファイバを使う双方
向通信にはこのように光分波器が不可欠であった。しか
し光分波器に重大な問題がある。

【０００６】光分波器としていくつかの種類のものが提
案されている。２本の光ファイバを用いたもの、光導波
路を用いたもの、多層膜ミラーを用いたものなどがあ
る。図２に示すものは光ファイバ又は光導波路型のもの
である。２本の光の導波部分を接近させエバネッセント
結合させ、エネルギーの交換を可能にする。結合部の距
離Ｄと長さＬとを適当に選ぶことによって、光の分波・
合波機能を賦与することができる。図２では光ファイバ
８に入れた光が、光ファイバ１１にＰ３となって出てく
る。但し約半分の光は光ファイバ１２の方に移るので利
用されない。逆に光ファイバ１１から光Ｐ４を入れると
これが半分ずつに分配されてファイバ８、ファイバ９に
出て行く。

【０００７】このような光分波器は局側の光分波器に
も、加入者側の光分波器にも同様に利用できる。図３の
光分波器は二等辺三角柱ガラスブロックの対角面に誘電
体多層膜を蒸着し、もう一つ同等のガラスブロックを貼
り付けて正四角柱にしたものである。誘電体多層膜が干
渉フィルタになるので、貼り合わせ面に対して４５度の
角度をなす光が入射すると約半分の光が反射し残りの半
分は透過するようになっている。このような光分波機能
は誘電体膜の厚み、屈折率を適当に選ぶことによって実
現することができる。その他にもいくつかの光分波器が
提案されている。

【０００８】このように光をある強度比（例えば１：
１）にし異なる経路に分けてしまう素子は、光分波器、
分波・合波器と呼ばれる。光ファイバやガラスブロック
を用いたものは既に市販されている。以上の素子の機能
について強調すべきことは何れにおいても、約半分の光
量が無駄になるということである。これは一波長である
ことと、光の可逆性からやむを得ないことである。

【０００９】図４は従来例に係る加入者側の光送受信モ
ジュールの構成例を示す概略図である。局側につながる
光ファイバ１６の終端は光コネクタ１７によって屋内の
光ファイバ１８に接続される。これを光ファイバ型の光
分波器２１によって上り光と下り光とに分離する。既に
述べたように二つの光ファイバの近接部２０の近接長さ
によって１：１に光を分ける機能を与えることができ
る。光ファイバ１８に半導体レ−ザ（ＬＤ）の上りの光
を入れ、光ファイバ１９の側より下りの光を取り出し、
フォトダイオードモジュール２７によって受信するよう
にしている。

【００１０】光ファイバ１８は光コネクタ２２によって
ＬＤモジュール２５に接続される。ＬＤモジュール２５
は加入者側からのデジタル信号を光信号に変換し局に向
けて送信する為のものである。分波器の光ファイバ２１
につながる光ファイバ１９は光コネクタ２３によって、
ＰＤモジュール２７に接続される。これは局側からの光
信号を電気信号に変換し、加入者側で受信するためのも
のである。その他にビームスプリッタと呼ばれる光分波
器を用いた例もある。例えばＥＰ４６３２１４−Ｂ１な
どに記載されたシステムなどである。

【００１１】図５は従来例に係る半導体発光素子モジュ
ール２８の断面図である。ケースの中に半導体レ−ザチ
ップ２９とこれの出力をモニタするためのフォトダイオ
ード３０を備える。半導体レ−ザ２９はサブマウントを
介してヘッダ３２のポール３１に取り付けられる。ヘッ
ダ３２の上面にはフォトダイオード３０が固定される。
ヘッダ３２の底部からはリードピン３３が複数本伸びて
いる。通し穴３５を有する円筒形のキャップ３４が半導
体レ−ザ２９、フォトダイオード３０を囲むように、ヘ
ッダ３２に溶接される。ワイヤによってリードピンとＬ
Ｄチップ２９、ＰＤ３０の電極が外部回路と接続される
ようになっている。

【００１２】ヘッダ３２の上にはさらに円筒形のレンズ
ホルダ−３６がある。レンズホルダ−３６は中央の穴に
集光レンズ３７を有する。レンズホルダ−３６の上には
さらに円錐系のハウジング３８が溶接される。ハウジン
グ３８にはフェルール３９とフェルール３９によって先
端が固定された光ファイバ４０が取り付けられる。半導
体レ−ザ２９、レンズ３７、光ファイバ４０などを調芯
して、レンズホルダ−３６、ハウジング３８をそれぞれ
固着する。レンズは集光性を高めてレ−ザと光ファイバ
の結合効率を高める。モニタ用フォトダイオードによっ
て半導体レ−ザの後方からでる光をモニタして、フィー
ドバック回路によって駆動電流を制御するこれによって
温度変動があっても半導体レ−ザの出力を一定に保つこ
とができる。

【００１３】本発明は、フォトダイオードの構造に関す
る。それ故従来例に係かる受光素子モジュールについて
説明する。図６は従来例に係る受光素子モジュールの断
面図である。ＰＤチップ４１が円盤状のヘッダ４２の上
に固定されている。ヘッダ４２は複数のリードピン４３
を有する。レンズホルダ−４６が集光レンズ４７を保持
している。ハウジング４８がレンズホルダ−４６の上部
に溶接してある。ハウジング４８には光ファイバ５０の
先端を挟持したフェルール４９が差し込まれている。端
面反射光がレ−ザに戻らない様に光ファイバ５０の端面
は斜めに切断してある。光ファイバ５０から出た光はレ
ンズによって集光されて受光素子４１に入射する。受光
素子（ＰＤ）としては、１．３μｍ光や１．５５μｍ光
を受光するには、ＩｎＰを基板として、ＩｎＧａＡｓや
ＩｎＧａＡｓＰを受光層とするＰＤが用いられる。先に
述べたように本発明は受光素子の構造にも関係するとこ
ろが多いので従来の受光素子の構造についてもさらに詳
しく説明する必要がある。

【００１４】図７は従来例に係る半導体受光素子チップ
の断面図である。ｎ−ＩｎＰ基板５２の上に、ｎ−Ｉｎ
Ｐバッファ層５３、ｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層５４、ｎ−
ＩｎＰ窓層５５がエピタキシャル成長している。ｎ−Ｉ
ｎＰ窓層５５、ＩｎＧａＡｓに受光層５４の中央部は亜
鉛拡散領域５６（ｐ型領域）になっている。このｐ型領
域の上にリング状のｐ電極５７が作製されている。また
ｎ−ＩｎＰ基板５２の上にｎ電極６１が形成される。ｐ
電極５７によって囲まれる領域は反射防止膜５８が被覆
してある。またｐ電極５７の外側はパッシベーション膜
５９によって保護される。反射防止膜５８があるＩｎＰ
窓層の側より信号光が入射し、ＩｎＧａＡｓ光吸収層
（受光層）５４で吸収され電気信号に変換される。

【００１５】図８はこのような受光素子の感度特性を示
すグラフである。横軸は波長（μｍ）であって、縦軸は
感度（Ａ／Ｗ）である。感度は立ち上がり部Ｐ、平坦部
Ｑ、立ち下がり部Ｒを含む。高い感度を示す波長範囲は
この例では１．０μｍ〜１．６μｍに渡っている。高感
度の波長範囲は光吸収層（受光層）と窓層の材料によっ
て決まる。受光層のバンドギャップと窓層のバンドギャ
ップの間にエネルギーを持つ光だけが吸収され検出され
る。この場合は、ＩｎＰ窓層とＩｎＧａＡｓ受光層５４
の材料特性によって決まる。このように広い感度特性を
持つフォトダイオードが従来の受光素子モジュールに使
われてきた。また光ファイバからでた光はほぼ円形に広
がるので円形の受光面をもつ受光素子が用いられる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従来の光分波器、発光
素子、受光素子を組み合わせた光送受信モジュールは図
４で示したように３つの主要部品（発光素子モジュー
ル、受光素子モジュール、ＷＤＭモジュール）からなっ
ている。３つの部品を持つので、大型になるし、価格も
高くなる。また分波器や、光ファイバの結合部分などで
光の損失が出るので長距離通信には使い難いという難点
があった。そのために一般家庭への光送受信モジュール
の普及が困難であるという問題があった。

【００１７】光分波器を用いない双方向通信用モジュー
ルはいくつか既に提案されている。（１）特公平７−５８８０６号：これはマルチモード光
ファイバ＋面発光ＬＥＤ＋受光素子というふうにＬＥ
Ｄ、ＰＤの順にならべている。ＬＥＤがＰＤよりずっと
小さいのでＰＤの受光面の一部がふさがれるだけであ
る。残りの受光面は覆われないので光が入射するように
できる。（２）特開昭５７−１７２７８３号：これもマルチモー
ドファイバに近い方から面発光ＬＥＤ、ＰＤと順に並べ
ている。ＰＤの一部に小さいＬＥＤを作製したものであ
る。

【００１８】いずれも光ファイバはマルチモード光ファ
イバであり口径が広いし光の広がり角度も広い。出てく
る光の直径は１００μｍ程度もある。これがＮ．Ａ．
（開口数：コア、クラッド屈折率による）にしたがった
角度で広がるので受光面では大きなビームとなってい
る。（２）の場合小さいレ−ザを大きいＰＤの中央に付
けても殆どの光はレ−ザの廻りの部分の受光面に入り受
光素子によって感受される。マルチモード光ファイバか
らのビームは広く（２００μｍ〜３００μｍの直径があ
る）レ−ザは小さいのでレ−ザ以外のＰＤ受光面に入る
成分が十分にある。（１）ではレ−ザによって受信光が
吸収されないようにしている。いずれもマルチモードフ
ァイバを使い広がりの大きいビームを扱うのである。本
発明はシングルモードファイバを使いシングルモード光
を伝搬する。シングルモード光ファイバからの光の広が
りは狭い。従来技術（１）、（２）は本発明の光通信に
は用いることができない。

【００１９】光通信に用いられる光ファイバはコア径が
１０μｍのシングルモードファイバである。マルチモー
ド光ファイバは多数のモードが立つので多くの情報を歪
ませることなく遠くまで伝送できないので遠距離の光通
信には不適である。シングルモードファイバはコア径が
小さいので軸合わせが難しく、レ−ザはファイバのコア
端面近くで位置合わせして固定しなければならない。レ
−ザチップは数百μｍの厚みと数百μｍの幅を持つか
ら、シングルモードファイバの前にＬＤを置くと光を全
く遮ってしまう。もしもその後ろにＰＤを置いても、Ｐ
Ｄには光が入らない。従って（１）や（２）で提案され
ているような構造は簡便であるがシングルモードファイ
バを使う光通信には使えない。シングルモードファイバ
に結合でき部品点数が少なく、小型で低価額の光受信モ
ジュールを提供することが本発明の第１の目的である。
光の損失の少ない光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。光加入者系の普及実用化に大き
く寄与できる光受信モジュールを提供することが本発明
の第３の目的である。調芯箇所が少なくて組立コストを
節減できる光受信モジュールを提供することが本発明の
第４の目的である。さらに本発明の光受信モジュールを
もちいて低コストの光送受信モジュールを提供する事が
本発明の第５の目的である。

【００２０】

【課題を解決するための手段】本発明の光受信モジュー
ルは、一本の光軸にそって受信を行う光受信モジュール
において、光伝送路に近い側からみて、第１の透過窓
と、半透過型受光素子と、第２の透過窓があり、光伝送
路から出射された受信光の一部を受光素子が吸収し電気
信号に変換しこれを増幅し、残りの光は透過するように
したものである。つまり直線光路に挿入できるような光
受信モジュールである。発光素子と組み合わせる場合は
光軸にそって本発明の光受信モジュールの後方に発光素
子を置き発光素子の出す光が受光素子によって一部吸収
され残りが前方の光伝送路に入るようになっている。光
ファイバと組み合わせる場合は本発明の光受信モジュー
ルを対向する２本の光ファイバによって挟むようにすれ
ば良い。半透過型の受光素子を使い光路中に直列に挿入
できるところに長所がある。またモジュールの中に増幅
器を設け受信信号を増幅することができる。

【００２１】信号光が一部透過するような特別な受光素
子と増幅器を一体化したものが本発明の受光素子モジュ
ールである。直線の光路に挿入する事ができ分岐を不要
とする。分岐が必要ないのは半透過型の受光素子を使う
からである。受信光と送信光を分岐によって分離しな
い。受信光と送信光は同じ直線上を伝搬する。分岐が不
要で送受信光を分離しないので光分波器は不要でありモ
ジュールの構造は単純化され安価になる。

【００２２】本発明は、透過型の受光素子を使うという
点に一つの特徴がある。受光素子自体に著しい特徴があ
る。一部透過一部吸収というようなフォトダイオードを
使うので、フォトダイオードの後ろに発光素子を設ける
ことが可能になる。本発明では、受光素子と増幅器を一
体化させるので、受光素子の直後に発光素子を置く事
も、光ファイバを介して後方に発光素子を設ける事も可
能である。受光素子と増幅器を一体化しパッケージに収
容してあり、そのパッケージは表面と裏面の両方に窓が
あって、第１透過窓−受光素子−第２透過窓−（光ファ
イバ）−発光素子というように直列に部品を並べたこと
が特徴である。

【００２３】本発明で用いる受光素子は、一部吸収、一
部透過という極めて特異なものであり、吸収：透過の比
率は有限であれば幾らでも良い。しかし以後簡単のため
吸収と透過が半分ずつとして説明する。従来からフォト
ダイオードは前面入射型（図７のようなもの）と背面入
射型（基板側から入射）がある。従来のフォトダイオー
ドは何れにしても入射側の反対側は電極によって完全に
覆われ光は反対側に洩れないようになっていた。光は全
て受光層で吸収された。そうすることが感度を上げるた
めにも有効だったのである。

【００２４】しかし本発明の受光素子はそうではない。
光の半分がそのまま反対側へ透過するような受光素子で
ある。半透過型の受光素子そのものが新規である。本発
明はそれに留まらず、半透過型受光素子と増幅器を一体
化してパッケージに収容したものである。後方に直接或
いは光ファイバを介して発光素子を設けることができ
る。直列に受光素子と発光素子を設置できるから受信光
と送信光について光路を分離する必要がない。光路を分
離しなくて良いので光分波器は全く不要である。さらに
受光素子の信号をすぐさま増幅するのでノイズに強く受
信感度も高い。

【００２５】

【発明の実施の形態】なぜ従来の光送受信モジュールが
サイズが大きく高価になるのか？本発明者はその原因に
ついて様々に考えた。従来の光送受信モジュールは例外
無く光分波器を使っている。一体光分波器はどうして必
要なのか？一本の光ファイバによって双方向通信をする
には行きの光と帰りの光を分離しなければならない。そ
のためには光路を分離しなければならず光分波器が必須
であったのである。

【００２６】ところで図１、図２の光ファイバカプラに
おいても、図３の多層膜ミラーでも、必ず光強度は半分
若しくは設計した１以下の値になる。レ−ザから光ファ
イバに入る光の量の比と、光ファイバから出て受光素子
に入る光量の比は相補的である。つまりレ−ザの結合効
率Ｔを上げるとフォトダイオードの受光効率Ｒが下が
る。分岐を使うのでその幾何学的な制約から最良の場合
でもＴ＋Ｒ＝１である。全く無損失であってもこのよう
なサムルールがある。例えばレ−ザから光ファイバに入
る比率をＴ＝０．５とすると、光ファイバから受光素子
に入る光量比率はＲ＝０．５である。このような相補性
は一波長を使う系である限り不可避の欠点である。

【００２７】ここでは簡単のために１：１の比率になる
分岐について話しを進める。そうでなくても同じ難点が
ある。さらになに故に光ファイバ光分波器やミラー光分
波器を使わなければならないか？というと、発光素子と
受光素子の光路をはっきりと区別しなければならないか
らである。図１〜図３の光分波器を使えば確かに光路は
明確に二分される。流れの方向が反対である光なのであ
るし、つながる素子が違うのであるから光路を二分する
のは当然のようにも思えよう。

【００２８】しかしながら常識にはしばしば誤りがあ
る。先入観に捕らわれてはならない。本当にわざわざ分
岐を使ってまで光路を二分する必要があるのであろうか
？同時的に異なる信号を送受信するなら光路分離は必要
であるからもしれない。しかしここではピンポン伝送に
限定する。ピンポン伝送であれば送受信の時刻が相違す
る。送信時にはレ−ザが光り、受信時には受光素子だけ
が光電流を感じる様にすれば良いのである。

【００２９】本発明者はピンポン伝送の場合、光路を分
離することは必須でないという事に気づいた。一本の光
路の上にＰＤとＬＤを直列に置いても、ＰＤがいくらか
の光を透過するものであればレ−ザの光は光ファイバに
到達するはずである。つまりはＰＤを透過型にすれば良
いのである。このような着想に基づいて本発明がなされ
た。つまり本発明は、第１の透過窓、半透過型受光素
子、第２透過窓、を一本の直線上に並べ、増幅器を内蔵
し受光素子の光電流を増幅するようにしたものである。
従来のモジュールと違うところは、非分岐直線型、半透
過型受光素子、増幅器内蔵というところにある。本発明
の受光モジュールでは受光量は全入射光の半分になる。
しかし光分波器を使う従来の受光モジュールも光分波器
によって光量が半分に落ちていたのである。だから全光
量の半分しか受光できないという点では従来のものと全
く同じ事である。

【００３０】本発明の基本的な思想は、光は直進すると
いう基本的な物理現象を素直に利用している。さらにフ
ォトダイオードとは全ての光を吸収しできるだけ１００
％に近い感度を得るものがよいという従来の発想を覆
し、本発明は入射光の半分だけ光電気変換し残りの半分
は透過させるという全く新規なフォトダイオードを使っ
ている。従来の双方向モジュールは受光素子、発光素子
の光路を別個別異にしなければならないという牢固な先
入観に捕らわれていたので無理に光路を曲げていた。本
発明は分岐がないので光分波器は不要である。

【００３１】本発明はこのように半透過型フォトダイオ
ードを光ファイバの軸線上にならべるのでつぎのような
効果がある。一つはカップラが不要だという事である。
光路の数も減り部品点数がすくなくなるので安価なモジ
ュールになる。光通信を広く普及させるためには安価で
あることがもっとも重要であるが本発明はそのような要
求に合致する。また図１１のように現在製品化されてい
る半導体レ−ザと組み合わせて容易にピンポン伝送用の
光送受信モジュールを構成できる。また光ファイバを介
在させれば受信部と送信部をボード上の任意の位置に自
由に配置する事ができる。

【００３２】これは受光素子モジュールの発明である
が、先述のように後方に半導体レ−ザをおけば送受信に
使うことができる。その場合、送信光も半分受光素子に
よって吸収される。送信光も半分損をしている。しかし
従来の光分波器を使うものもやはり光分波器のために送
信光が半分無駄になっていた。だから送信光の光量とい
う点でも従来の光送受信モジュールと同じなのである。
送受信光の強度は同じであるが光分波器が不要で構造が
極めて単純で位置合わせも簡単である。

【００３３】

【実施例】［実施例１（光受信モジュール：ＰＤモジュ
ール）］図９に本発明の光受光モジュールの実施例を示
す。図９（ａ）は縦断面図で、図９（ｂ）は横断平面図
である。円形平型のパッケージ６２の内部に平板状のリ
ードフレーム６３がある。実際のリードフレームは放射
状の多数の金属板よりなるがここでは単純に四角形で表
現している。リードフレーム６３の中央の開口部に半透
過型のＰＤ６４が固定される。ＰＤの詳しい構造は後に
述べるが両面にある電極はいずれもリング状で中央部を
光が通過するのを妨げないようになっている。

【００３４】またリードフレーム６３の適当な箇所に増
幅器チップ６５が取り付けられている。受光素子の光電
流を増幅するためのものである。Ｓｉ半導体増幅器或い
はＧａＡｓ半導体増幅器チップなどである。パッケージ
６２は金属平型であるが、中央部の表には第１透過窓６
６がある。中央部の裏面には第２透過窓６７がある。窓
６６、６７にはガラスまたはレンズがはめ込まれ内部を
シールしている。リードフレーム６３から外部にはそれ
ぞれリードピン６８が張り出している。ここでは左右各
４本のリードピンがあるがピンの数は任意である。リー
ドフレームの適当なものと、受光素子チップ６４の電極
がワイヤ７０によって接続される。

【００３５】受光素子６４の出力の一つがワイヤ７０に
より増幅器チップ６５の入力に接続される。光ファイバ
６９の先端が第１透過窓６６の直前に置かれる。光ファ
イバ６９の先端からでた光は、第１透過窓６６、半透過
型ＰＤ６４、第２透過窓６７を通ってモジュールの反対
側へと通過できる。入射光の半分だけ受光層によって吸
収され感度に寄与する。残りの半分は透過してしまい無
駄な光となる。しかし従来のものでも光分波器で半分に
なっていたのであるから、本発明の光受光モジュールは
受光感度の点では同等である。

【００３６】ＰＤ６４やＡＭＰ６５はここではリードフ
レームの上に直接にボンディングしてある。そうすると
部品点数を減らす事ができ、従来のＩＣ実装技術を使う
事ができるなどという利点がある。またリードフレーム
が安価であるからコスト的にも望ましい。しかしもちろ
んＰＤやＡＭＰをセラミックサブマウントに載せてパッ
ケージに固定するという事もできる。パッケージは金属
箱型のものを使っている。金属パッケージは安価であ
る。しかし、セラミックのパッケージにしても良い。こ
のような平型パッケージ６２に半透過型受光素子とアン
プが収容され光が表から裏へと半分透過でき、或いは逆
に裏から表へと半分透過できるようにしたものが本発明
の光受光モジュールである。

【００３７】パッケージは円形に限らず矩形状あるいは
正方形状であってもよい。リードピンも両側に突き出た
ものとは限らずインライン型であっても良い。パッケー
ジやリードピンの形状、個数などは任意である。図１０
は光受光モジュール内部の等価回路図の一例である。受
光素子６４がバイアス端子Ｖｐｄと増幅器６５の入力の
間につながれこれによって逆バイアスされる。増幅器６
５には電源Ｖｃｃとグランドがつながれる。さらに出力
ｏｕｔ端子がでている。Ｖｐｄ、グランド、ＯＵＴなど
がリードピン６８の何れかに対応する。図１０の回路で
あれば４つの独立なリードピンがあれば良い事になる。
図９（ｂ）では８ピンになっているからグランドピンや
電源ピンを重複して設けても良い。

【００３８】また図１０より回路を複雑にして増幅器の
帰還抵抗などを変化させる為の端子を設けても良い。電
源ノイズを除くためコンデンサをパッケージ内に取り付
けても良い。このようにＰＤの光電流出力を直近におい
た増幅器によって増幅するようにするとワイヤは短く浮
遊容量が小さくノイズが少ない高感度の受信機とする事
ができる。このような形態をＰＩＮ−ＡＭＰという。こ
の形態にしておくと、その後は多少配線が長くなっても
ノイズは入らず受信回路の部品配置が非常に柔軟性を持
つようになる。ＰＩＮ−ＡＭＰ自体はこれまでも存在す
るがいずれも不透過型のものであって背後に光が出てこ
ない。本発明のＰＩＮ−ＡＭＰは背面に光が出てくる斬
新なものである。

【００３９】［実施例２（光送受信モジュール：ＰＤモ
ジュール＋ＬＤモジュール）］本発明は光受光モジュー
ルだけを独立させているから応用性が高い。表面側に光
ファイバを対向させ裏面側にレ−ザモジュールを対向さ
せる事によって直線型の光送受信モジュールを簡単に構
成する事ができる。図１１はそのようなＰＤモジュール
とＬＤモジュールをくみあわせた実施例を示す。光受光
モジュールの部分は図９のものと同様である。パッケー
ジ６２の内部に半透過型受光素子６４とアンプ６５を設
けている。表裏に透過窓６６、６７があって光ファイバ
６９から出た光は、透過窓６７、受光素子６４、透過窓
６７を通過して約半分の光量が反対側（裏面側）に出て
くる。この実施例はそこで裏面側にレ−ザモジュール７
１を対向させている。このレ−ザモジュール７１は公知
のものであって、ヘッダ７４の上にポール７５が形成さ
れ側面に半導体レ−ザ７６がサブマウント（図示しな
い）を介して固定される。その直下の位置にモニタ用の
受光素子７７が固定される。ヘッダ７４の上面を円筒形
のキャップ７８が覆う。

【００４０】キャップ７８の上方には窓があるがここに
はレンズ７９がはめ込まれている。ヘッダ７４の下面に
は適当な数のリードピン８１〜８４が設けられる。半導
体レ−ザ７６から出た送信光はレンズ７９で集光され、
受光モジュールの裏面の第２透過窓６７からパッケージ
６２に入る。半透過型受光素子６４を通過して半分のパ
ワーを失い、残りの半分のパワーが第１透過窓６６を通
って出て行き光ファイバ６９に入る。レンズ７９は半導
体レ−ザ７６を光ファイバに結合するためのものであ
る。送信光は受光素子によって半分吸収されて損をす
る。しかしそれは従来のものでは光分波器によって失わ
れるのと同じであり送信光の強度は従来のものと同等で
ある。

【００４１】［半透過型ＰＤの実施例１（プレーナ
型）］本発明の透過型受光素子モジュールを可能にした
ものは、もちろん特異な受光素子にある。通常のＰＤ４
１は図７に示すようにｎ電極６１が全面を覆い光を通さ
ない（受光層が４μｍもある）が、ここで用いる半透過
型ＰＤは一部の光を通す。例えば約半分の光を吸収して
検出し約半分の光を透過させる。図１２によって本発明
の半透過型ＰＤの実施例を説明する。

【００４２】これは１．０μｍ〜１．６μｍに感度のあ
るＩｎＧａＡｓフォトダイオードの例である。図７の従
来例と違う点は、約５０％の光が透過できるようになっ
ているということである。ｎ−ＩｎＰ基板９０の上に、
ｎ−ＩｎＰバッファ層９１、ｎ−ＩｎＧａＡｓ受光層９
２、ｎ−ＩｎＰ窓層９３がこの順にエピタキシャル成長
してある。受光層がＩｎＧａＡｓ（λｇ＝１．６７μ
ｍ）の場合は吸収係数α＝１μｍ^-1である。その厚みを
０．７μｍとすると丁度半分の光が吸収され半分の光が
透過する。受光層がＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．４μ
ｍ）の場合は１．３μｍ系にしか感度がない。α＝０．
７μｍ^-1であるから、その厚みを１μｍにすると半分吸
収、半分透過ということになる。もちろん厚みを少し変
えて透過：吸収の比率を１：１からずらしても良い。

【００４３】素子単位の上面中央部から円形の広がりを
持ったｐ型領域９４が亜鉛拡散によって形成される。Ｉ
ｎＰ窓層９３とＩｎＧａＡｓ受光層９２の一部がｐ型に
なる。ｎ型の部分とｐ型の部分の境界にｐｎ接合ができ
る。ｐ型領域９４の上面にはリング状のｐ電極９５（Ａ
ｕＺｎ）が設けられる。リングｐ電極９５の内側は光が
入射すべき領域である（受光面）。ここには反射防止膜
９６が形成される。誘電体多層膜であって信号光を殆ど
反射することなく全てがｐ−ＩｎＰ窓層に入るようにし
ている。リングｐ電極９５の外側はパッシベーション膜
９７によって覆われる。これはｐｎ接合とｎ−ＩｎＰ窓
層９３を被覆している。

【００４４】ｎ−ＩｎＰ基板９０の裏面には裏面前面で
なく一部だけにｎ電極（ＡｕＧｅＮｉ）が設けられる。
この例ではリング状のｎ電極９８が形成される。リング
ｎ電極９８によって囲まれる部分は反射防止膜９９（Ｓ
ｉＯＮ）によって覆われている。ｐ電極、ｎ電極ともに
中心部が開口になっている上部から入った光は受光層で
約半分吸収され、約半分の光が下面から出て行く。反対
に下面のｎ−ＩｎＰ基板９０の側から入った光も約半分
になって上部のｐ型ＩｎＰ窓層から出て行く。

【００４５】受光層のバンドギャップをＥ１、窓層のバ
ンドギャップをＥ２とすると、波長λが、Ｅ１＜ｈｃ／
λ＜Ｅ２の範囲の光のみが感受される。基板、窓層、バ
ッファ層はＩｎＰとするので、Ｅ２は決まる。受光層を
三元混晶ＩｎＧａＡｓとするとλｇ（＝ｈｃ／Ｅ１）が
１．６７μｍなので、感度範囲は１．０〜１．６μｍと
なる。受光層をＩｎＧａＡｓＰの四元とするとλｇ（ｈ
ｃ／Ｅ２）が１．４μｍなので感度は狭く、１．０μｍ
〜１．４μｍとなる。１．５５μｍは感じない。従来の
ものは受光層厚みは４μｍ以上（４〜６μｍ）であった
が、本発明ではＩｎＧａＡｓではｄ＝０．７μｍ、Ｉｎ
ＧａＡｓＰではｄ＝１．０μｍとする。

【００４６】図１３はＩｎＧａＡｓ受光層の厚みと透過
率を示す。横軸は厚み（μｍ）で縦軸は透過率Ｔであ
る。透過率を１：１以外の所望の有限の値にしたい場合
はこのグラフから厚みを決める事ができる。ＩｎＧａＡ
ｓＰの場合でも同様のグラフを書く事ができる。受光層
厚みを適当に選んで、吸収と透過の比率を自在に与える
事が可能である。

【００４７】［半透過型ＰＤの実施例２（メサ型）］図
１４（Ａ）にメサ型の半透過型受光素子の断面図を示
す。図１４（Ｂ）は平面図である。ｎ−ＩｎＰ基板１０
０の上に、ｎ−ＩｎＰバッファ層１０１、ｎ−ＩｎＧａ
Ａｓ受光層１０２、ｐ⁺ −ＩｎＰ窓層１０３がエピタキ
シャル成長してある。ＩｎＧａＡｓの厚みは０．７μｍ
である。１．３μｍに対する透過率を５０％にするため
である。窓層は初めからｐ型である。ｐ⁺ −ＩｎＰ窓層
のキャリヤ濃度はｐ＝１〜５×１０¹⁸ｃｍ^-3である。ｐ
⁺ −ＩｎＰ窓層１０３の上にリングｐ電極１０４を設け
る。その内部では窓層が反射防止膜１０５によって覆わ
れる。リングｐ電極の外側をエッチングして除きメサ型
にする。露出した傾斜面をＳｉＮｘのパッシベーション
膜によって覆った。ｎ−ＩｎＰ基板の裏面周辺部にはリ
ング状のｎ電極１０９が形成され、中央部には反射防止
膜１１０が設けられる。メサ型受光素子は受光層が狭く
なっており逆バイアスを掛けて空乏層ができたときに静
電容量がより小さくなるという利点がある。

【００４８】受光層厚みが０．７μｍの場合、表面から
入射した光は半分受光層で吸収されて、半分の光が裏面
から透過して行く。反対に裏面から送信光を入れると表
面から５０％の光量の光が出て行く。

【００４９】［実施例３（受信モジュールと送信モジュ
ールを一体化した光送受信モジュール）］本発明は受信
モジュールに関するが、図１１でも説明したように、Ｌ
Ｄモジュールと直列に並べて簡単に受信送信の両方の機
能を備えたモジュールとする事ができる。図１１の例
（実施例２）は双方が別個であったが、両方のモジュー
ルを纏めて一体化する事ができる。

【００５０】図１５にそのような一体化した光送受信モ
ジュールを示す。これまで説明したＰＤモジュールの裏
面側に、ＬＤモジュールがついている。ＬＤモジュール
は、ヘッダ７４のポール７５側面に半導体レ−ザ（Ｌ
Ｄ）７６を、ポール７５の基部にモニタＰＤ７７を取り
付けこれらをキャップ１２０によって覆ったものであ
る。キャップ上面の窓１２２には平坦な透明板１２３が
貼り付けられている。これは半導体レ−ザモジュールと
して市販されているし容易に入手できる。半導体レ−ザ
モジュールの方は集光作用がない。

【００５１】ＬＤモジュールのヘッダ７４に円筒形のス
リーブ１２１の下端面を取付ける。スリーブ１２１の上
端はＰＤモジュールのパッケージ６２の底面に固着され
る。スリーブ１２１によってＬＤとＰＤが一体化される
のである。ＰＤモジュールの第１透過窓６６が単なるガ
ラス板でなくて集光レンズ１２４が取り付けられる。こ
れは光ファイバ６９から出た光を集光してＰＤ６４に入
れると言うのではなくて、半導体レ−ザ７６の光を集光
して光ファイバ６９に入れるためのものである。半導体
レ−ザ７６からの光は広がりやすいのでレンズ１２４に
よって集光する必要がある。

【００５２】［実施例４（受信モジュールと送信モジュ
ールを一体化した光送受信モジュール）］図１６はもう
一つのＬＤ、ＰＤ一体化モジュールをしめす。これはレ
ンズが半導体レ−ザモジュールの方に付いている。ＬＤ
モジュールの方は図１１で説明したものと同じである。
ヘッダ７４の上面にポール７５があってこれの側面にＬ
Ｄ７６が、ヘッダ中央にモニタＰＤ７７が実装される。
サブマウントを使うがここでは図示を略している。円筒
形のキャップ７８の中央窓にはレンズ７９がついてい
る。このような半導体レ−ザモジュールは良く知られた
ものである。ヘッダ７４の上面に長い円筒形のスリーブ
１３０を溶接し、スリーブ１３０の上面をＰＤモジュー
ルのパッケージ６２の底面に溶接する。このような固定
構造は図１５の実施例と同様である。レンズがＬＤ側に
ある。もっとも図１５の実施例であってもレンズ１２４
はレ−ザ光を集光するためのものであり目的は同一であ
る。

【００５３】この実施例の製造方法を述べる。ＬＤモジ
ュールの方は公知のものであるからＰＤモジュールにつ
いてのみ説明する。（１）チップサイズが５５０μｍ角で受光径が２００μ
ｍの半透過型ＰＤチップ６４をコバール製のリードフレ
ームに半田によって固定する。５０ＭＨｚまで応答し、
ゲインが３０ｄＢのＳｉ−ＡＭＰチップ６５をＳｎＰｂ
半田によってリードフレーム６３に固定する。つぎに２
０μｍ径の金線によってチップ電極とリードフレーム間
を接続する。その後リードフレーム６３をセラミックの
窓つきのパッケージ６２にエポキシ樹脂によって固定す
る。この時裏面よりＴＶカメラで観察し、ＰＤの光出射
面とパッケージの裏面窓６７が合致するように位置合わ
せする。この実施例ではセラミックパッケージを使って
いるが、金属であってアルミナ絶縁基板を底面に敷いた
ものであっても良い。

【００５４】さらに入射面側のパッケージキャップの透
過窓６６とＰＤ受光面の位置合わせをして、窒素雰囲気
中でキャップをパッケージ本体にシールする。キャップ
シールは、電気溶接、シームシール、樹脂シールなどい
ずれであっても良い。ここでは樹脂シールを採用してい
る。一定した形状の金属、或いはセラミックパッケージ
を用いず、プラスチックモールドによることもできる。
その場合は、リードフレームにＰＤチップ、ＡＭＰチッ
プを取付けワイヤボンデイングし透明の樹脂で全体をモ
ールドする。これはもっとも安価なプラスチックパッケ
ージとなる。

【００５５】（２）こうしてできた半透過型ＰＤモジュ
ールの１．３μｍ光に対する透過率を実際に測定した。
透過率の測定値は４５％であった。ＰＤの受信感度も測
定した。感度は０．４５Ａ／Ｗであった。通常のＰＤ
（受光層が４μｍ以上厚い）は最良のもので１Ａ／Ｗの
感度がある。それの４５％の感度である。本発明のＰＤ
は約半分の光を吸収し感受するので従来のＰＤの約半分
の感度になるはずである。従来の最良のＰＤの４５％の
感度であったのだから大体理論通りである。

【００５６】増幅器を組み合わせたＰＩＮ−ＡＭＰの感
度を調べた。誤り率が１０^-8であるように５０Ｍｂｐｓ
のデジタル信号を受信できる最小の受信信号は−３８ｄ
Ｂｍであった。通常の１００％吸収ＰＤを使ったＰＩＮ
−ＡＭＰより３〜４ｄＢ高い限界値である。感度が約半
分に低下するのであるから受信可能信号の限界が３ｄＢ
程度上がるのは当然でこれもほぼ理論通りである。

【００５７】（３）さらに、図１６のように球レンズ付
きの半導体レ−ザのヘッダ７４を、ステンレスの円筒形
スリーブ１３０にＹＡＧレ−ザによって溶接した。スリ
ーブ１３０をさらに受光素子のパッケージ６２の底面に
エポキシ樹脂で接着した。スリーブ１３０の長さはレ−
ザ光が丁度光ファイバに効率よく結合できる長さになる
ようにしてある。

【００５８】実際には光ファイバ６９はフェルールに挿
入されフェルールが何らかのホルダ−に固定され、ホル
ダ−がある定位置に固定される訳である。スリーブ１３
０を半導体レ−ザに固定した状態で、光ファイバを動か
して調芯し最適位置に光ファイバを固定する。そのあ
と、レ−ザと光ファイバの間にＰＩＮ−ＡＭＰを側方か
ら挿入し、レ−ザ光の光ファイバへの入射パワーをモニ
タしながら最適位置でＰＩＮ−ＡＭＰをスリーブ１３０
に対して固定する。

【００５９】既に受信モジュール（ＰＩＮ−ＡＭＰ）の
性能は測定しているので、半導体レ−ザの特性を調べ
た。前もって、ＰＩＮ−ＡＭＰを挿入する前の結合パワ
ーを測定した。３０ｍＡの駆動電流でレ−ザを光らせた
時の光ファイバの他端での光の出力は１ｍＷであった。
ＰＩＮ−ＡＭＰを挿入した後で同じように３０ｍＡの駆
動電流でレ−ザを光らせて光ファイバの他端での光出力
を測定したところ０．４５ｍＷであった。つまりＰＩＮ
−ＡＭＰによって０．４５ｍＷに光ファイバへの光入力
が減少している。ＰＤの透過率測定結果と同じレ−ザ光
の出力結果である。これも理論通りの結果である。

【００６０】（４）図４に示す従来の光送受信モジュー
ルと、図１６に示す本発明の光送受信モジュールとを用
いて、５０Ｍｂｐｓのピンポン伝送の実験を行った。双
方とも受信モジュールには同じ３．３Ｖ動作のＳｉ−Ａ
ＭＰを設けた。半導体レ−ザは同じ波長、同じ出力のも
のを用いた。その結果図１６の本発明の光送受信モジュ
ールは、図４の従来の光送受信モジュールと同等の送受
信特性を与える事が分かった。

【００６１】

【発明の効果】本発明は半透過型の受光素子を内蔵する
ＰＤモジュールであり、その後ろにＬＤモジュールをつ
けることによって直線型の光送受信モジュール（ＬＤ・
ＰＤモジュール）とすることができる。図４の従来のモ
ジュールと図１６の本発明のモジュールを比較する事に
よって本発明の有用性が明らかになる。まず光カップラ
が不要である。図２、図３に光カップラの例を説明した
がいずれも製作が難しくコストを引上げるしモジュール
を大型化する。そのカップラを省く事ができるのでモジ
ュールは小型、低コストになる。

【００６２】ＰＤモジュールとＬＤモジュールが別異の
パッケージに収容されている。つまりＬＤとＰＤが電気
的に切り離されている。受信信号が非常に微弱で送信信
号のための（ＬＤ）ドライブ電流が大電流であることを
考えれば、ノイズの混入熱的条件の切り分け等を考えれ
ば極めて有利である。新たにカップラを入手したり或い
はカップラと一体化したようなモジュールを作らなくて
も、ＬＤモジュールを結合することによってピンポン伝
送用光送受信モジュールを製作することができる。従来
の送信モジュールや送信機器をそのままにして新たに受
信部だけ追加できるというメリットも大きい。以上のよ
うに本発明は今までにない安価で便利な受信或いは送受
信モジュールを与える。

【図面の簡単な説明】

【図１】上り信号と下り信号を扱う従来の双方向光通信
の概念図。

【図２】光ファイバ型または光導波路型の光分波器の概
念図。

【図３】誘電体多層膜を使った光分波器の概念図。

【図４】従来の加入者系双方向光通信における加入者側
の光送受信モジュールの構成図。

【図５】従来例に係る半導体発光素子の断面図。

【図６】従来例に係る発光素子受光素子の断面図。

【図７】従来例に係るフォトダイオードチップの断面
図。

【図８】従来例に係るフォトダイオードチップの感度特
性を示すグラフ。横軸は波長（μｍ）、縦軸は感度（Ａ
／Ｗ）。

【図９】（ａ）は本発明の実施例に係る光受信モジュー
ルの縦断面図。（ｂ）は横断平面図。

【図１０】受光素子と増幅器を含む本発明の光受信モジ
ュールの等価回路図。

【図１１】本発明の光受信モジュールの後方に半導体レ
−ザをおいて光送受信モジュールを構成することができ
るということを示す断面図。

【図１２】（Ａ）は本発明の光受信モジュールに用いる
半透過型のＰＤ（プレーナ型）の縦断面図。（Ｂ）は同
じものの平面図。

【図１３】受光層であるＩｎＧａＡｓ層の厚みと透過率
の関係を示すグラフ。

【図１４】（Ａ）は本発明の光受信モジュールにもちい
る半透過型のＰＤ（メサ型）の断面図。（Ｂ）は同じも
のの平面図。

【図１５】本発明の光受信モジュールにレンズのない半
導体レ−ザ素子を組み合わせて光送受信モジュールとし
たものの断面図。

【図１６】本発明の光受信モジュールにレンズ付き半導
体レ−ザ素子を組み合わせて光送受信モジュールとした
ものの断面図。

【符号の説明】

１光ファイバ２光分波器３光ファイバ４光分波器５光ファイバ６光ファイバ７光ファイバ１６光ファイバ１７光コネクタ２２光コネクタ２３光コネクタ２５ＬＤモジュール２７ＰＤモジュール６２受光素子モジュールのパッケージ６３リードフレーム６４半透過型ＰＤ６５増幅器６６第１透過窓６７第２透過窓６８リードピン６９光ファイバ７０ワイヤ７４ヘッダ７５ポール７６半導体レ−ザ７７ＰＤ（モニタ用）７８キャップ７９レンズ８１〜８４リードピン９０ｎ−ＩｎＰ基板９１ｎ−ＩｎＰバッファ層９２ＩｎＧａＡｓ受光層９３ＩｎＰ窓層９４Ｚｎ拡散領域９５ｐ電極９６反射防止膜９７パッシベーション膜９９反射防止膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】受光面及び光出射面を有し入射光の一部
を吸収し残りを透過する半透過型の受光素子と、半透過
型受光素子からの電気信号を増幅する増幅器と、これら
を電気的に接続する機構と、これらを固定しかつ少なく
とも受光素子の受光面および光出射面に対向する部分は
透明であるようにしたパッケージとよりなる事を特徴と
する光受信モジュール。
【請求項２】パッケージの光入射側の一部に集光用の
レンズを有することを特徴とする請求項１に記載の光受
信モジュール。
【請求項３】受光素子がＩｎＧａＡｓ或いはＩｎＧａ
ＡｓＰ系よりなるＰＩＮ−ＰＤであることを特徴とする
請求項１〜２の何れかに記載の光受信モジュール。
【請求項４】ＩｎＧａＡｓ（λｇ＝１．６７μｍ）の
受光層の厚みが約０．７μｍであることを特徴とする請
求項３に記載の光受信モジュール。
【請求項５】ＩｎＧａＡｓＰ（λｇ＝１．４μｍ）の
受光層の厚みが約１μｍであることを特徴とする請求項
３に記載の光受信モジュール。
【請求項６】受光面及び光出射面を有し入射光の一部
を吸収し残りを透過する半透過型の受光素子と、半透過
型受光素子からの電気信号を増幅する増幅器と、これら
を電気的に接続する機構と、これらを固定しかつ少なく
とも受光素子の受光面および光出射面に対向する部分は
透明であるようにしたパッケージとよりなる光受信モジ
ュールと、光受信モジュールの光出射面側に固定された
半導体レ−ザとよりなることを特徴とする光送受信モジ
ュール。