JP5825917B2

JP5825917B2 - 光受信モジュール

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Publication number: JP5825917B2
Application number: JP2011172953A
Authority: JP
Inventors: 裕一郎堀口; 智志西川; 柳生　栄治; 栄治柳生; 亮太竹村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2011-08-08
Filing date: 2011-08-08
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2031-08-08
Also published as: JP2013038216A

Description

本発明は、光受信モジュールに関し、特に、多芯ファイバからの複数の信号光を同時に受光可能な光受信モジュールに関するものである。

一般的に、光通信に用いられる光受信モジュールは、ファイバからの信号光を受光素子の受光部に集光する光学系素子と、受光した信号光を光電変換して電気信号を出力する受光素子と、受光素子からの電気信号を増幅するアンプ等からなる高周波回路とを備えている。

従来の強度変調方式によるオンオフ変調（ON/OFF keying）を用いた光受信モジュールでは、光電変換の対象となる信号光を高周波数化することにより、１０Ｇｂｐｓを超える高速の信号伝送を実現している。このような信号伝送においては、低ノイズとなるように、かつ、１０ＧＨｚ以上の高周波領域まで発振することなく広範囲の帯域で平坦な周波数特性を持つように光受信モジュールを構成することが重要となる。そこで、高周波特性を改善する方式として、様々な技術が提案されている。

例えば、特許文献１に開示された光信号受信モジュールでは、アンプのグランド電極が受光素子のバイアス電圧入力端子に接続されており、受光素子とアンプの初段トランジスタとの間で、チップキャリアを経路に含まない電流ループを形成している。あるいは、所定容量のコンデンサを介してグランド電極に接続したサブグランド電極がアンプに設けられている。このような技術によれば、電流ループの電気長が短くなるため、ノイズによる発振を防止することができ、高周波特性に優れた光受信モジュールを実現可能となる。

特許文献２に開示された光受信モジュールでは、フォトダイオードのアノード電極側及びカソード電極側にそれぞれ設けられたコイル及びフォトダイオードにより共振回路が構成されている。このような技術によれば、フォトダイオードの容量等によって、高周波領域では電流の振幅周波数特性の低下が補償されることから、高周波特性に優れた光受信モジュールを実現することができる。

特許文献３に開示されたフォトダイオードでは、第１導電型半導体層上に、第１導電型分離拡散層により複数に分割された第２導電型半導体層が積層されており、隣接する第２導電型半導体層の間に、フォトダイオードなどの受光素子部及びトランジスタなどの信号処理回路素子部が設けられている。そして、受光素子部の一方の電極が第１導電型半導体層下に設けられ、他方の電極が第２導電型半導体層上に設けられている。このような技術によれば、フォトダイオードのアノード部の直列抵抗が低下するので、応答速度が速いフォトダイオードを実現することができる。

特許第４１３９５９４号公報特開平１０−２３３７４１号公報特開２００２−３１９６９８号公報

さて、近年、光受信モジュールでの変調方式として、位相変調方式あるいはデジタルコヒーレント方式といったような、受信感度に優れた次世代の変調方式が提案されている。これら変調方式では、複数の信号光を複数の受光部で同時に受光（受信）可能なバランス受信を行う、多チャンネル型の光受信モジュールが用いられる。

しかしながら、多チャンネル型の光受信モジュールにおいては、複数のチャンネル間（つまり複数の受光部間）における、高周波特性及び受光感度のばらつきが抑制されることが求められる。

そこで、本発明は、上記のような問題点を鑑みてなされたものであり、複数の信号光を同時に受光可能な光受信モジュールにおいて、複数の受光部間での高周波特性のばらつきを抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。また、好ましくは、複数の受光部間での受光感度のばらつきも抑制することが可能な技術を提供することを目的とする。

本発明に係る光受信モジュールは、多芯ファイバに含まれるアレイ状に配列された複数のファイバコアからの複数の信号光を同時に受光可能な光受信モジュールである。前記光受信モジュールは、前記信号光を受光するアレイ状に配列された複数の受光部を有し、前記複数の受光部で受光した前記信号光に基づいて電気信号を出力する受光素子と、前記複数の受光部とそれぞれ接続された複数の第１導電部材とを備える。そして、前記光受信モジュールは、前記複数の第１導電部材と接続され、前記複数の第１導電部材を介して前記受光素子にバイアス電圧を印加するチップコンデンサを備え、各前記受光部の受光面積は、当該受光部と接続された前記第１導電部材の寄生インダクタンスに対応している。一の前記第１導電部材と接続された一の前記受光部の受光面積が、当該一の第１導電部材よりも寄生インダクタンスが大きい別の前記第１導電部材と接続された別の前記受光部の受光面積よりも大きい。

本発明によれば、各受光部の受光面積は、当該受光部と接続された第１導電部材の寄生インダクタンスに対応している。したがって、複数の受光部間における高周波特性のばらつきを抑制することができる。

実施の形態１に係る光受信モジュールの構成を示す斜視図である。実施の形態１に係る光受信モジュールの構成を示す拡大平面図である。実施の形態１に係る光受信モジュールの効果を示す図である。実施の形態１に係る光受信モジュールの効果を示す図である。関連光受信モジュールの構成を示す斜視図である。関連光受信モジュールでの問題点を説明するための図である。関連光受信モジュールでの問題点を説明するための図である。関連光受信モジュールでの問題点を説明するための図である。

＜実施の形態１＞
まず、本発明の実施の形態１に係る光受信モジュールについて説明する前に、それと関連する光受信モジュール（以下「関連光受信モジュール」と呼ぶ）について説明する。

図５は、関連光受信モジュール７１及び多芯ファイバ８１の構成を示す斜視図である。多芯ファイバ８１は、アレイ状に配列された複数のファイバコアを含んでおり、各ファイバコアから信号光を同時に出射可能となっている。

関連光受信モジュール７１は、多チャンネル型の光受信モジュールであり、多芯ファイバ８１に含まれるアレイ状に配列された複数のファイバコアからの複数の信号光を同時に受光（受信）可能となっている。つまり、関連光受信モジュール７１は、いわゆるバランス受信を行う。この関連光受信モジュール７１は、上述の信号光を受光するアレイ状に配列された複数の受光部１１を有する受光素子１０と、複数のアンプ２０と、複数のチップコンデンサ３０と、複数のワイヤ４０と、レンズなどの結合光学系素子５０とを備えている。

なお、図５では示していないが、これら構成要素は、構造部材上に実装、固定され、パッケージ内に収められている。また、結合光学系素子５０は１つのレンズであるとして以下説明するが、これに限ったものではなく、他の構成の光学系素子を適用してもよい。

複数の受光部１１は、受光素子１０が有する一の面（以下「受光面」と呼ぶこともある）に、多芯ファイバ８１の信号光と同じ数（チャンネル数）だけ設けられており、多芯ファイバ８１と同様のアレイ状に配列されている。そして、多芯ファイバ８１に含まれる複数のファイバコアから出射された信号光が、結合光学系素子５０を介して、複数の受光部１１にそれぞれ入射される。なお、ここでは、４つのチャンネルの信号光を受光する光受信モジュールについて説明するが、この数に限ったものではなく、２，３，または、５つ以上のチャンネルの信号光を受光するものであっても同様である。

受光素子１０は、複数の受光部１１で受光した信号光に基づいて電気信号を出力する。本実施の形態では、受光素子１０は、当該信号光を光電変換して電気信号を生成する。

各受光部１１は、１つのワイヤ４０等を介して１つのアンプ２０と電気的に接続されている。アンプ２０は、２つの信号入力電極を持つ差動型のアンプであり、ワイヤ４０から入力された受光素子１０からの電気信号を増幅し、当該増幅した電気信号を外部に出力する。また、各受光部１１は、別のワイヤ４０等を介して１つのチップコンデンサ３０とも電気的に接続されている。チップコンデンサ３０は、ワイヤ４０を介して受光素子１０にバイアス電圧を安定的に印加する。

さて、以上のような多チャンネル型の関連光受信モジュール７１では、複数の受光部１１間（チャンネル間）における、高周波特性のばらつきを抑制することが求められている。しかしながら、図６に示されるように、周波数が高くなるにつれて、受光素子１０の受光面の内側に位置する受光部１１の利得（ｓパラメータ）は、１０ＧＨｚ程度からしばらく上昇してから下降しており、いわゆるピーキングが発生している。それに対し、外側に位置する受光部１１の利得（ｓパラメータ）は、１０ＧＨｚ程度を超えると下降し続ける。したがって、約１０ＧＨｚ以上の周波数において、高周波特性のばらつきが大きくなるという問題があった。

また、以上のような多チャンネル型の関連光受信モジュール７１では、複数の受光部１１間（チャンネル間）における、受光感度のばらつきを抑制することも求められている。これを実現するためには、各受光部１１において、多芯ファイバ８１から出射され集光された信号光を受光部１１内にもれなく集光することが重要である。つまり、組み立て時において、信号光の同士の間隔が、受光面での受光部１１同士の間隔と等しくなるように集光光学系及びファイバを調芯することと、複数の信号光（ファイバコア）の配列方向と、複数の受光部１１の配列方向とをほぼ一致させることが重要である。しかしながら、配列方向同士の角度ずれのトレランスが少なく、受光部１１内に信号光を集光することが困難となっている。次に、図７，８を用いてこのことを詳細に説明する。

図７は、関連光受信モジュール７１と多芯ファイバ８１とからなる光学装置の組み立てにおいて、複数の信号光８２の配列方向と、複数の受光部１１の配列方向とを一致させる調整を説明するための図である。この調整では、まず図７のように、複数の信号光８２の配列の中心と、複数の受光部１１の配列の中心とを重ねた後、いずれか一方の配列（ここでは信号光８２の配列）を回転させて、互いに対応する信号光８２及び受光部１１の位置を合わせる。ここで、回転精度が十分でなく、配列同士の間に角度ずれが生じた場合には、信号光８２の受光部１１に対する位置ずれが生じるが、図７から明らかなように、その位置ずれは、配列の中心からの距離に比例する。その結果、配列の外側（端側）付近においては、信号光８２の位置ずれが大きくなる傾向がある。

図８は、角度ずれにより発生する位置ずれと、上述の中心からの距離との関係を示すグラフである。ここでは、１５０μｍ間隔で受光部１１が配置された場合を例にして説明する。例えば、位置ずれのトレランスが２．５μｍである場合には、配列の内側（ここでは中心から８０μｍ程度以内）では１．５度の角度ずれまで許容することができるが、配列の外側（ここでは中心から２２０μｍ以上）では０．５度の角度ずれまでしか許容することができない。つまり、配列の内側においては、信号光８２の位置ずれが許容される角度ずれであっても、配列の外側においては、信号光８２の位置ずれが許容できないことがある。

ここで、一般的なシングルモードファイバのモード径はおよそ約９μｍであるが、部品固定時の移動や使用時に付加される応力、温度変化による熱膨張等、光学系調整後に発生するずれを考慮すれば、受光径が約２０μｍの円形の受光部１１に対しては、許容される位置ずれ量は２〜３μｍと小さい。そうであるにもかかわらず、上述したように、信号光８２の配列の外側においては、信号光８２の位置ずれが大きくなる傾向があることから、配列外側の信号光８２の一部が受光部１１からもれてしまい、その結果、複数の受光部１１間で受光感度がばらつくという問題があった。

そこで、本実施の形態に係る光受信モジュールでは、複数の受光部１１間における、高周波特性及び受光感度のばらつきを抑制することが可能となっている。以下、このような光受信モジュールについて説明する。

図１は、本実施の形態に係る光受信モジュール１及び多芯ファイバ８１の構成を示す斜視図であり、図２は、平面視において長方形状を有する受光素子１０の受光面の拡大平面図である。なお、以下、本実施の形態に係る光受信モジュールについての説明において、関連光受信モジュール７１で説明した構成要素と類似するものについては同じ符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

図１に示すように、本実施の形態に係る光受信モジュール１は、関連光受信モジュール７１と同様、多チャンネル型の光受信モジュールであり、多芯ファイバ８１に含まれるアレイ状に配列された複数のファイバコアから複数の信号光を同時に受光可能となっている。また、光受信モジュール１は、関連光受信モジュール７１と同様に、アレイ状に配列された複数の受光部１１（１１ａ〜１１ｄ）を有する受光素子１０と、複数のアンプ２０（２０ａ，２０ｂ）と、複数のチップコンデンサ３０（３０ａ〜３０ｄ）と、複数のワイヤ４０（４０ａａ，４０ａｂ，４０ａｃ，４０ａｄ，４０ｂａ，４０ｂｂ，４０ｂｃ，４０ｂｄ）と、レンズなどの結合光学系素子５０とを備えている。

図２に示すように、本実施の形態においても、受光素子１０の受光面内において、複数の受光部１１ａ〜１１ｄが、この順で、受光素子１０の長手方向に沿ってアレイ状に配列されている。つまり、受光部１１ａ，１１ｄは、複数の受光部１１ａ〜１１ｄの配列の外側に位置し、受光部１１ｂ，１１ｃは、当該配列の内側に位置している。なお、ここでは、隣り合う２つの受光部１１の間隔は、多芯ファイバ８１のファイバコアの間隔に対応しており、例えば、数十から数百μｍ程度となっている。

また、本実施の形態では、第１受光部である受光部１１ａ及び第２受光部である受光部１１ｄは、受光素子１０の中心点に関して点対称に配置されており、対称性を有している。同様に、第１受光部である受光部１１ｂ及び第２受光部である受光部１１ｃは、受光素子１０の中心点に関して点対称に配置されており、対称性を有している。

受光部１１ａ〜１１ｄは、第１導電部材４１（４１ａ〜４１ｄ）とそれぞれ接続されている。ここでは、第１導電部材４１ａは、受光部１１ａと接続された一端と受光面の長手方向の端部に他端とを有する受光面上の電極１２ａと、当該電極１２ａの当該他端と接続されたワイヤ４０ａａとから構成されている。同様に、第１導電部材４１ｂは、受光部１１ｂと接続された一端と受光面の長手方向の端部に他端とを有する受光面上の電極１２ｂと、当該電極１２ｂの当該他端と接続されたワイヤ４０ａｂとから構成されている。第１導電部材４１ｃ、４１ｄについても同様に構成されている。

なお、本実施の形態では、図２に示すように、電極１２ｂ，１２ｃは電極１２ａ、１２ｄよりも長くなっており、ワイヤ４０ａａ，４０ａｂ，４０ａｃ，４０ａｄの長さは互いに同一であるものとする。これにより、内側の受光部１１ｂ、１１ｃに接続された第１導電部材４１ｂ，４１ｃの寄生インダクタンスは、外側の受光部１１ａ，１１ｄに接続された第１導電部材４１ａ，４１ｄの寄生インダクタンスよりも大きくなっている。

また、同図２に示すように、受光部１１ａ，１１ｂは、第２導電部材４２（４２ａ，４２ｂ）とそれぞれ接続され、受光部１１ｃ、１１ｄは、第３導電部材４３（４３ｃ，４３ｄ）とそれぞれ接続されている。

ここでは、第２導電部材４２ａは、受光部１１ａと接続された一端と受光面の短手方向の端部に他端とを有する受光面上の電極１３ａと、当該電極１３ａの当該他端と接続されたワイヤ４０ｂａとから構成されている。第２導電部材４２ｂについても同様に構成されている。また、第３導電部材４３ｃは、受光部１１ｃと接続された一端と受光面の短手方向の端部に他端とを有する受光面上の電極１３ｃと、当該電極１３ｃの当該他端と接続されたワイヤ４０ｂｃとから構成されている。第３導電部材４３ｄについても同様に構成されている。なお、電極１３ａ〜１３ｄは受光面に設けられている。

図１に戻って、チップコンデンサ３０ａ〜３０ｄは、複数の第１導電部材４１ａ〜４１ｄ（ワイヤ４０ａａ〜４０ａｄ）と接続されている。そして、チップコンデンサ３０ａ〜３０ｄは、複数の第１導電部材４１ａ〜４１ｄを介して受光素子１０（受光部１１ａ〜１１ｄ）に、モジュール外部からのバイアス電圧を安定的に印加する。

本実施の形態では、チップコンデンサ３０ａ，３０ｂは、受光素子１０の一の短辺に沿って互いに隣接して設けられており、チップコンデンサ３０ｃ，３０ｄは、受光素子１０の別の短辺に沿ってチップコンデンサ３０ａ，３０ｂとそれぞれ対向するように設けられている。

そして、第１導電部材４１ａ及びチップコンデンサ３０ａと、第１導電部材４１ｄ及びチップコンデンサ３０ｄとは、受光部１１ａ及び受光部１１ｄと同様に、受光素子１０の中心点に関して点対称に配置されている。また、第１導電部材４１ｂ及びチップコンデンサ３０ｂと、第１導電部材４１ｃ及びチップコンデンサ３０ｃとは、受光部１１ｂ及び受光部１１ｃと同様に、受光素子１０の中心点に関して互いに点対称に配置されている。

第１増幅器であるアンプ２０ａは、複数の第２導電部材４２ａ，４２ｂ（ワイヤ４０ｂａ，４０ｂｂ）と接続され、複数の第２導電部材４２ａ，４２ｂから入力された受光素子１０（受光部１１ａ，１１ｂ）からの電気信号を増幅し、当該増幅した電気信号を外部に出力する。第２増幅器であるアンプ２０ｂは、複数の第３導電部材４３ｃ、４３ｄ（ワイヤ４０ｂｃ，４０ｂｄ）と接続され、複数の第３導電部材４３ｃ、４３ｄから入力された受光素子１０（受光部１１ｃ，１１ｄ）からの電気信号を増幅し、当該増幅した電気信号を外部に出力する。

本実施の形態では、アンプ２０ａは、受光素子１０の一の長辺に沿って設けられており、アンプ２０ｂは、受光素子１０の別の長辺に沿ってアンプ２０ａと対向するように設けられている。

そして、第２導電部材４２ａ及びアンプ２０ａと、第３導電部材４３ｄ及びアンプ２０ｂとは、受光部１１ａ及び受光部１１ｄと同様に、受光素子１０の中心点に関して点対称に配置されている。これにより、第２導電部材４２ａの寄生インダクタンスは、第３導電部材４３ｄの寄生インダクタンスと等しくなっている。同様に、第２導電部材４２ｂ及びアンプ２０ａと、第３導電部材４３ｃ及びアンプ２０ｂとは、受光部１１ｂ及び受光部１１ｃと同様に、受光素子１０の中心点に関して点対称に配置されている。これにより、第２導電部材４２ｂの寄生インダクタンスは、第３導電部材４３ｃの寄生インダクタンスと等しくなっている。

さて、本実施の形態では、上述したように、内側の受光部１１ｂ、１１ｃに接続された第１導電部材４１ｂ，４１ｃの寄生インダクタンスは、外側の受光部１１ａ，１１ｄに接続された第１導電部材４１ａ，４１ｄの寄生インダクタンスよりも大きくなっている。このことは、関連光受信モジュール７１においても同様となっている。

そこで、発明者は、この寄生インダクタンスの差異が、図６に示す高周波特性のばらつきの原因になっているのではないかと考えた。そして、発明者は、この推察と、受光部１１の受光面積が大きくなるにつれて上述のピーキングが大きくなるという知見とに鑑みて、図２に示すように、各受光部１１の受光面積が、当該受光部１１と接続された第１導電部材４１の寄生インダクタンスに対応している構成を導き出した。

ここでは、そのような構成として、ピーキングが生じていなかった、小さい寄生インダクタンスを有する第１導電部材４１ａ，４１ｄと接続された外側の受光部１１ａ，１１ｄの受光面積を、ピーキングが生じていた、大きい寄生インダクタンス有する第１導電部材４１ｂ、４１ｃと接続された内側の受光部１１ｂ，１１ｃの受光面積よりも大きくしている。また、２０ＧＨｚ程度の周波数を有する信号光を受信するようにするため、受光部１１を円形とした場合の受光径は１０μｍ〜３０μｍ程度に設定している。そして、寄生インダクタンスが小さい外側の受光部１１ａ，１１ｄの受光径を、内側の受光部１１ｂ、１１ｃの受光径よりも例えば数μｍ大きくして、接合容量を例えば約１０ｆＦ大きくしている。

図３は、以上のように構成された本実施の形態に係る光受信モジュールに対してシミュレーションを行うことによって得られた高周波特性の結果を示す図である。この図３に示すように、本実施の形態に係る光受信モジュールによれば、内側の受光部１１ｂ，１１ｃだけでなく、外側の受光部１１ａ，１１ｄにおいてもピーキングが発生する。したがって、複数の受光部１１ａ〜１１ｄ間における高周波特性のばらつきを抑制することができる。

なお、高周波特性のばらつきを抑制する構成として、第１導電部材４１の寄生インピーダンスを等しくするように、その配線長を等しくすることも考えられるが、この条件を満たしながら、互いにサイズの異なるアンプ２０及びチップコンデンサ３０を受光素子１０の周囲に設けることは困難である。したがって、この観点からも、本実施の形態のように、受光部１１の受光面積を第１導電部材４１の寄生インダクタンスに対応させることは有効である。

また、本実施の形態では、図４に示すように、複数の受光部１１ａ〜１１ｄの配列の外側に位置する受光部１１ａ，１１ｄの受光面積は、当該配列の内側に位置する受光部１１ｂ，１１ｃの受光面積よりも大きくしている。したがって、配列の外側の受光部１１における信号光８２の受光もれを抑制することができることから、信号光８２の配列方向と、受光部１１の配列方向との間の角度ずれのトレランスを大きくすることができる。よって、複数の受光部１１間での、受光感度のばらつきを抑制することができ、角度調整で要求される精度を緩和し、光学系調芯を容易にすることができる。

なお、例えば、受光径を数μｍ拡大すれば、約１度の角度ずれを許容することが可能である。以上のことから、受光部１１の受光面積は、信号光８２のデータレートから許容される最大の面積とすることが望ましい。

また、本実施の形態では、第２導電部材４２ａ，４２ｂの寄生インダクタンスは、第３導電部材４３ｃ，４３ｄの寄生インダクタンスと等しくしている。この場合には、複数の受光部１１ａ〜１１ｄ間での高周波特性のばらつきをより確実に抑制することができる。

１光受信モジュール、１０受光素子、１１，１１ａ〜１１ｄ受光部、２０，２０ａ，２０ｂアンプ、３０，３０ａ〜３０ｄチップコンデンサ、４１，４１ａ〜４１ｄ第１導電部材、４２，４２ａ，４２ｂ第２導電部材、４３，４３ｃ，４３ｄ第３導電部材、８１多芯ファイバ。

Claims

多芯ファイバに含まれるアレイ状に配列された複数のファイバコアからの複数の信号光を同時に受光可能な光受信モジュールであって、
前記信号光を受光するアレイ状に配列された複数の受光部を有し、前記複数の受光部で受光した前記信号光に基づいて電気信号を出力する受光素子と、
前記複数の受光部とそれぞれ接続された複数の第１導電部材と、
前記複数の第１導電部材と接続され、前記複数の第１導電部材を介して前記受光素子にバイアス電圧を印加するチップコンデンサと
を備え、
一の前記第１導電部材と接続された一の前記受光部の受光面積が、当該一の第１導電部材よりも寄生インダクタンスが大きい別の前記第１導電部材と接続された別の前記受光部の受光面積よりも大きい、光受信モジュール。
請求項１に記載の光受信モジュールであって、
前記一の受光部は、前記複数の受光部の配列の外側に位置し、前記別の受光部は、当該配列の内側に位置する、光受信モジュール。
請求項１または請求項２に記載の光受信モジュールであって、
前記複数の受光部は、対称性を有する第１及び第２の受光部を含み、
前記第１の受光部と接続された第２導電部材と、
前記第２導電部材と接続され、前記第２導電部材から入力された前記受光素子からの前記電気信号を増幅する第１増幅器と、
前記第２の受光部と接続された第３導電部材と、
前記第３導電部材と接続され、前記第３導電部材から入力された前記受光素子からの前記電気信号を増幅する第２増幅器と
をさらに備え、
前記第２導電部材の寄生インダクタンスは、前記第３導電部材の寄生インダクタンスと等しい、光受信モジュール。