JP2009003007A - 受光素子モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】受光径内にほぼ一様な強度分布の光を入射するとともに、高出力なＲＦ電力を高効率で得ることのできる受光素子モジュールを得る。
【解決手段】シングルモード光ファイバ２と、シングルモード光ファイバ２に対向して接合されたステップインデックス型マルチモード光ファイバ３と、シングルモード光ファイバ２およびステップインデックス型マルチモード光ファイバ３を経由して出力された光を像転写する光学レンズ４と、光学レンズ４からの光を受光する受光素子１とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、高出力なＲＦ電力が求められる受光素子モジュールに関する。

受光素子は、光通信システムに利用されており、デジタル信号伝送では、マイクロワット級の微弱な光を感度よく検出すること、またアナログ信号伝送では、受信信号の歪みをなくすことが、主に従来から検討されてきた。これに対し、近年は、受光素子に高周波（以下、ＲＦという）で強度変調したワット級の光を入射し、大電力のＲＦ出力を得ることが検討されている。

受光素子、光ファイバおよびそれらを光学的に結合させる光学レンズ系を備える受光素子モジュールにおいて、受光面に光ファイバから入射した光を結像した場合には、入射光の中心付近の光強度密度が高くなる。このため、中心付近で大量の熱が集中的に発生し、受光ＲＦ電力が弱まる現象が発生する。さらには、素子が破損する可能性もある。また、入力光の光密度が高いため、空間電荷効果の影響も大きく受ける。

従って、従来の半導体受光素子モジュールでは、中心付近の光強度密度を下げるために、半導体基板上に光吸収層となるｉ層に対して非焦点状態となるレンズを形成している。この結果、強力な光が入射した場合でも、光ファイバからの光を一点に集中させることなく、入射した光を受光素子の受光面全体に広げることにより、内部電界強度の低下を防ぐことができる（例えば、特許文献１参照）。

特開平４−３４２１７４号公報

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
上述の特許文献１に記載された受光素子モジュールでは、電界強度の低下を防ぐために、入射光スポット径をデフォーカスして受光部に入射している。しかしながら、ガウスビームの形状自体を改善している訳ではなく、ガウスビームのスポット径が多少大きくなっているだけなので、受光径内の中心部と外側とでは、強度分布差が生じている。

さらに、デフォーカスさせれば、受光径内にほぼ一様な強度分布の光を入射することは可能である。しかしながら、そのような場合には、受光径から全ビームの大半が外れてしまい、入射光パワー全体に対する出力ＲＦ電力の効率が非常に悪くなってしまう。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、受光径内にほぼ一様な強度分布の光を入射するとともに、高出力なＲＦ電力を高効率で得ることのできる受光素子モジュールを得ることを目的とする。

本発明に係る受光素子モジュールは、シングルモード光ファイバと、シングルモード光ファイバに対向して接合されたステップインデックス型マルチモード光ファイバと、シングルモード光ファイバおよびステップインデックス型マルチモード光ファイバを経由して出力された光を像転写する光学レンズと、光学レンズからの光を受光する受光素子とを備えるものである。

本発明によれば、シングルモード光ファイバとステップインデックス型マルチモード光ファイバを接合して光ファイバを構成し、ステップインデックス型マルチモード光ファイバから受光素子に入射するビームをほぼ一様な強度とし、全入射光を受光径に収めた上で、さらに受光径内で発生する熱を抑制することにより、受光径内にほぼ一様な強度分布の光を入射するとともに、高出力なＲＦ電力を高効率で得ることのできる受光素子モジュールを得ることができる。

以下、本発明の受光素子モジュールの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における受光素子モジュールの光学配置を示す断面構造図である。図１の受光素子モジュールは、受光素子１、シングルモード光ファイバ２、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ３、光学レンズ４、およびヒートシンク５で構成される。

受光素子１は、裏面入射型のＩｎＧａＡＳ／ＩｎＰ系ＰＩＮフォトダイオードであり、受光表面にφ５０μｍの受光径をもつ。さらに、受光素子１の受光面１ａ側（すなわち、裏面側）は、ヒートシンク５に接着されている。

シングルモード光ファイバ（ＳＭファイバ）２は、光が単一モードで伝送される光ファイバであり、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ（ＳＩファイバ）３は、コアとクラッドの界面のみで屈折率が不連続に変わる光ファイバであり、ともに、コア径４０〜５０μｍ、長さ０．３〜０．４ｍｍである。また、シングルモード光ファイバ２とステップインデックス型マルチモード光ファイバ３は、接合面６で互いに融着されている。

光学レンズ４は、開口数（Ｎ．Ａ．）０．２以上であり、ビーム径を受光素子の受光径φ５０μｍと同じサイズに像転写可能なレンズ系であればよい。例えば、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ３から出射されるビーム径がφ４０μｍであるとすると、焦点距離１０ｍｍのコリメートレンズを用いた場合には、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ３と光学レンズ４間の距離は、８ｍｍとなり、光学レンズ４と受光素子１間の距離は、１０ｍｍとなる。

次に、動作について説明する。まず、シングルモード光ファイバ２から出射するビーム径φ１０μｍのガウスビームは、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ３をマルチモード干渉素子として利用することにより、光強度分布が平坦化される。

図２は、本発明の実施の形態１における受光素子モジュールのステップインデックス型マルチモード光ファイバ３内における電界分布の様子を示した図である。図２における波形（１）は、シングルモード光ファイバ２からの入射ビームである。また、波形（２）および波形（３）は、それぞれ入射端より０．３ｍｍ、および０．４ｍｍの位置におけるビームの形状である。

ステップインデックス型マルチモード光ファイバ３内の位置により、ビームの形状が刻々と変化しており、今回の条件では、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ３の入射端から０．３ｍｍ〜０．４ｍｍ辺りで、シングルモード光ファイバ２からの入射ビームが最も平坦化される。

従って、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ３の長さは、０．３〜０．４ｍｍとする。このようにして平坦化されたビームを光学レンズ４で像転写することで、受光径φ５０μｍの受光素子１に、同じサイズであるφ５０μｍのビームを入射させることができる。

以上のように、実施の形態１によれば、シングルモード光ファイバから出射したガウスビームの周辺部を、ステップインデックス型マルチモード光ファイバで反射合成させ、光強度分布がある程度一様となった合成ビームを像転写して、裏面入射型受光素子の受光面に結像している。この結果、受光径内に集光される光ビームの単位面積あたりの光強度密度が、受光素子にそのままガウスビームで集光される場合と比較して、大幅に低減され、熱の集中的な発生を抑制できる。

さらに、受光素子の裏面側は、ヒートシンクと接着されている。受光素子は、裏面入射型であるため、光の吸収層がヒートシンクに接近しており、排熱設計にも優れる。この結果、得られる受光ＲＦ電力が増加するとともに、素子の破損防止にも繋がる。

さらに、多モード干渉素子としてステップインデックス型マルチモード光ファイバを用いている。これにより、シングルモード光ファイバにステップインデックス型マルチモード光ファイバを融着するだけで構成可能な受光素子モジュールとなっている。つまり、非常に容易に製造可能であり、コスト面でも優れる。さらに、両ファイバは、融着しているので、ロスが少なく、ハイパワー入射に強い。

なお、ステップインデックス型マルチモード光ファイバの代わりに、シングルモード光ファイバからのガウスビームの周辺部を反射可能な中空ファイバまたは鏡状の筒を用いることによっても、同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２における受光素子モジュールの光学配置を示す断面構造図である。図３の受光素子モジュールは、受光素子１、シングルモード光ファイバ２、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ３、光学レンズ４ａ、およびヒートシンク５で構成される。先の実施の形態１における図１の構成と比較すると、本実施の形態２における図３の構成では、光学レンズ４ａがステップインデックス型マルチモード光ファイバ３と接着され、シングルモード光ファイバ２から光学レンズ４ａまでが一体化されている点が異なっている。

先の実施の形態１では、光学レンズ４の位置が厳密に決まっておらず、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ３と光学レンズ４間の距離を変化させたい要望がある場合には、フレキシブルに対応できる受光素子モジュールである。しかしながら、その分、光学レンズ４が外部にあるため、レンズの位置決めに手間がかかってしまう。

これに対して、本実施の形態２では、シングルモード光ファイバ２から光学レンズ４ａまでを一体化したことにより、受光素子１との距離は、厳密に決まり、レンズの位置決めの作業が楽になる。

以上のように、実施の形態２によれば、光学レンズをステップインデックス型マルチモード光ファイバに接着させる構造をとり、シングルモード光ファイバから光学レンズまでを一体化している。この結果、受光素子に対する光学レンズの位置決めを容易に行うことが可能となる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３における受光素子モジュールの光学配置を示す断面構造図である。図４の受光素子モジュールは、受光素子１、シングルモード光ファイバ２、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ３、およびヒートシンク５で構成される。先の実施の形態１における図１の構成あるいは先の実施の形態２における図３の構成と比較すると、本実施の形態３における図４の構成では、光学レンズを備えていない点が異なっている。

本実施の形態２では、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ３から出射されたビームが、光学レンズを介さずに直接受光素子１に入射する構造となっている。

ステップインデックス型マルチモード光ファイバ３から出射されるビームは、開口数（Ｎ．Ａ．）０．２程度の広がりをもっているため、全ての光を受光素子１の受光径内に収めるには、ステップインデックス型マルチモード光ファイバ３の直径よりも大きな受光径を持ち、かつステップインデックス型マルチモード光ファイバ３と受光素子１を非常に近づける必要がある。

そこで、光学レンズをなくした図４のような構成にすることで、このような条件を満たすことができる。さらに、光学レンズをなくしたことにより、コスト低減を図ることができる。

以上のように、実施の形態３によれば、光学レンズをなくした構成で先の実施の形態１、２と同様の効果を実現でき、受光素子モジュールのコスト低減を図ることが可能となる。

実施の形態４．
図５は、本発明の実施の形態４における受光素子モジュールの光学配置を示す断面構造図である。この図５の光学素子モジュールは、先の実施の形態１における図１の構成を２個並列に接続した構成に相当する。

並列回路を構成する個々の受光素子モジュールの動作は、先の実施の形態１の場合と全く同じである。１モジュールごとに得られた各々の受光ＲＦ電力を、整合の取れたＲＦ電力合成回路７を用いることにより電力合成する。

本実施の形態４における図５のような並列構成により、先の実施の形態１における図１の単一構成で得られたＲＦ電力と同じ電力を得ようとした場合には、１モジュールあたりに入射する光強度は、弱くなるため、熱の発生のさらなる防止に繋がる。

また、１つの受光素子モジュールからの受光ＲＦ電力は、ある受光量以上で飽和に達してしまう。これに対して、本実施の形態４のように、受光素子モジュールを２個以上並列に接続する構成を採用することにより、１つの受光素子モジュールで得られる受光ＲＦ電力の飽和値以上の電力を得ることができる。

以上のように、実施の形態４によれば、本発明による受光素子モジュールを複数個並列接続することにより、熱の発生を抑制できるとともに、１つの受光素子モジュールの飽和受光量以上の受光ＲＦ電力を得ることが可能となる。

なお、図５の構成において並列接続される受光素子モジュールは、先の実施の形態１に対応する図１の構成ばかりでなく、先の実施の形態２に対応する図３の構成、あるいは、先の実施の形態３に対応する図４の構成を適用することも可能である。

本発明の実施の形態１における受光素子モジュールの光学配置を示す断面構造図である。 本発明の実施の形態１における受光素子モジュールのステップインデックス型マルチモード光ファイバ３内における電界分布の様子を示した図である。 本発明の実施の形態２における受光素子モジュールの光学配置を示す断面構造図である。 本発明の実施の形態３における受光素子モジュールの光学配置を示す断面構造図である。 本発明の実施の形態４における受光素子モジュールの光学配置を示す断面構造図である。

符号の説明

１ 受光素子（裏面入射型受光素子）、２ シングルモード光ファイバ、３ ステップインデックス型マルチモード光ファイバ、４、４ａ 光学レンズ、５ ヒートシンク、６ ファイバ接合面、７ ＲＦ電力合成回路。

Claims (8)

1. シングルモード光ファイバと、
   前記シングルモード光ファイバに対向して接合されたステップインデックス型マルチモード光ファイバと、
   前記シングルモード光ファイバおよび前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバを経由して出力された光を像転写する光学レンズと、
   前記光学レンズからの光を受光する受光素子と
   を備えることを特徴とする受光素子モジュール。
2. 請求項１に記載の受光素子モジュールにおいて、
   前記受光素子は、裏面入射型のフォトダイオードまたは裏面入射型のアバランシェ・フォトダイオードであり、受光面側でヒートシンクに接着されることを特徴とする受光素子モジュール。
3. 請求項１または２に記載の受光素子モジュールにおいて、
   前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバは、コア径が４０〜５０μｍであり、長さが０．３〜０．４ｍｍであることを特徴とする受光素子モジュール。
4. 請求項１または２に記載の受光素子モジュールにおいて、
   前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバの代わりに、前記シングルモード光ファイバからのガウスビームの周辺部を反射可能な中空ファイバまたは鏡状の筒を備えることを特徴とする受光素子モジュール。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の受光素子モジュールにおいて、
   前記シングルモード光ファイバと前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバは、互いに融着されていることを特徴とする受光素子モジュール。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の受光素子モジュールにおいて、
   前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバと前記光学レンズは、互いに接着されており、
   前記シングルモード光ファイバから前記光学レンズまでが一体型であることを特徴とする受光素子モジュール。
7. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の受光素子モジュールにおいて、
   前記ステップインデックス型マルチモード光ファイバからのビームを、前記光学レンズを取り除いて直接前記受光素子の受光径内に入射することを特徴とする受光素子モジュール。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の受光素子モジュールを２個以上並列に配置し、各受光素子モジュールの出力を合成出力することを特徴とする受光素子モジュール。

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