JP6476634B2 - 光受信モジュール - Google Patents

Description

本発明は、光受信モジュールに関し、特に、波長多重化された信号光を受信する光受信モジュールに関する。

近年、通信速度の高速化が進んでおり、光トランシーバ等に用いられる光受信モジュールには４０Ｇｂｐｓや１００Ｇｂｐｓの伝送速度に対応することが求められる。このような高速伝送では、単一波長の信号光ではなく波長多重化された信号光（以下、波長多重光という）が用いられることが多い。

波長多重光を受信する場合、受光素子を１つのみ実装した光受信モジュールを光トランシーバに複数設ける構成では、光トランシーバが大型化してしまうので、小型の光トランシーバでは複数の受光素子を単一の光受信モジュールに実装して、該光受信モジュールにて波長多重光を受信することが行われている（例えば特許文献１及び２参照）。

図７は、特許文献１に開示の光受信モジュールの一部を模擬的に示した図である。特許文献１に開示の光受信モジュールでは、図７に示すように、光ファイバ１０１から出射された波長多重光は、第１のレンズ１０３により集光され、光反射部１０４を経て波長分離部１０５に入射され波長分波される。波長分波された信号光はそれぞれ、第２のレンズ１０６により、受光部１０７の所定の受光素子１０７ａで受光される。
なお、第１のレンズ１０３、光反射部１０４、波長分離部１０５、第２のレンズ１０６、受光部１０７は基板１０２上に実装されている。

受光素子１０７ａの出力は微弱で周囲のノイズを受けやすいため、受光素子１０７ａの出力信号を増幅するプリアンプ回路を、同じ光受信モジュールのパッケージ内に組み込み、受光素子１０７ａとプリアンプ回路を至近距離に配置することが好ましい。しかしながら、図７のように多くの部品を基板１０２の同じ平面上に配列する構造では、大型のパッケージを用いなければ、パッケージ内にプリアンプ回路を搭載するために十分な面積を得ることができない。

図８は、特許文献２に開示の光受信モジュールの一部を模擬的に示した図である。特許文献２に開示の光受信モジュールでは、図示するように、プリアンプ回路２０１と受光素子アレイ２０２はパッケージ底壁２０３に実装された１つの金属基板２０４上に実装されている。また、レンズアレイ２０５は受光素子アレイ２０２よりパッケージ底壁２０３から離間した位置に配されている。波長分波器２０６は反射部材２０７と共に光学レンズ２０５よりさらにパッケージ底壁２０３から離間した位置に配されている。
この特許文献２に開示の光受信モジュールでは、入射された波長多重光は波長分波器２０６で波長分波され、波長分波された信号光はそれぞれ反射部材２０７によりパッケージ底壁２０３の方向に反射された後、レンズアレイ２０５を介して受光素子アレイ２０２に入射される。

特許文献２に開示の光受信モジュールでは、受光素子アレイ２０２が実装されたパッケージ底壁２０３とは異なる面に波長分波器２０６や反射器２０７を搭載しているので、パッケージが小さくでもパッケージ内においてプリアンプ回路２０１を受光素子アレイ２０２の近くに配置することができるようになっている。
なお、特許文献２に開示の光受信モジュールでは、レンズアレイ２０５は、受光素子アレイ２０２の両脇に設けられた支持ポスト２０８上に搭載されている。

特開２００９−１９８９５８号公報 特開２０１３−１２５０４５号公報

しかし、特許文献２に開示の光受信モジュールでは、受光素子アレイ２０２とレンズアレイとの距離は、支持ポスト２０８の寸法ばらつきの影響や該ポスト２０８の固定材料の厚さばらつきの影響を受けてしまう。特許文献２に開示の光受信モジュールは、各受光素子での受光感度ばらつきの面で改善の余地がある。

本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされたもので、電気的特性に優れ且つ受光感度ばらつきの小さい光受信モジュールを提供することをその目的とする。

本発明に係わる光受信モジュールは、波長多重光を受信し、各波長に対応した電気信号を出力するものであって、波長多重光が入力され各波長に対応した複数の信号光を出力する光分波器と、複数の信号光を反射しその光軸を変換する反射器と、該反射器により反射された複数の信号光それぞれを集光する複数のレンズと、該複数のレンズにより集光された複数の信号光それぞれを受光する複数の受光素子と、該複数の受光素子がそれぞれ出力する電気信号を増幅するプリアンプ回路と、光分波器、反射器、複数のレンズ、複数の受光素子及びプリアンプ回路を収納し底壁を備えるパッケージと、を備え、複数のレンズは、透明基板の一方の面に一体に形成され、複数の受光素子は、透明基板の他方の面に搭載され、反射器は、複数の信号光をパッケージの底壁から離間する方向に反射し、プリアンプ回路は、パッケージの底壁上にブロックを介して搭載され、複数のレンズが一体に形成された透明基板は、ブロック上に搭載され、ブロックは、反射器を挟む一対の庇を備え、複数のレンズが一体に形成された透明基板は、庇に搭載され、反射器を覆っている。

光受信モジュールは、プリアンプ回路の上記ブロックに対向する面とは反対の面についての底壁からの距離と、透明基板の受光素子を実装する面についての底壁からの距離を等しくすることが好ましい。

本発明の光受信モジュールによれば、電気的特性を良好にすることができ、さらに受光感度のばらつきを小さくすることができる。

本発明の光受信モジュールの一例を示す図である。 本発明の光受信モジュールの一例を示す図である。 受光素子が搭載された状態のレンズアレイの正面図である。 受光素子が搭載された状態のレンズアレイの上方斜視図である。 図１の光受信モジュールのＩＣ部品付近の側方視部分拡大断面図である。 本発明の光受信モジュールの他の例を説明する図である。 従来の光受信モジュールの一例を示す図である。 従来の光受信モジュールの他の例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の光受信モジュールに係る好適な実施の形態について説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内ですべての変更が含まれることを意図する。また、以下の説明において、異なる図面においても同じ符号を付した構成は同様のものであるとして、その説明を省略する場合がある。

図１及び図２は、本発明の光受信モジュールの一例を示す図である。図１は光受信モジュールの一部を断面で示す側面図、図２は説明を容易にするためにパッケージ蓋体２０及びレセプタクル部１１を外し、パッケージフレーム１８などの一部を破断した状態で示す斜視図である。

図の光受信モジュール１０は、光ファイバが接続されるレセプタクル部１１と、受光素子や光学部品等が収容されるパッケージ部１２と、外部回路との電気接続のための端子部１３とを備えている。レセプタクル部１１は、光コネクタのフェルールが挿入されるスリーブ１４と、レセプタクル部１１をパッケージ部１２に接合させるためのホルダ１６と、スリーブ１４とホルダ１６とを調芯可能に連結するジョイントスリーブ１５とを有する。 以下では、光受信モジュール１０のレセプタクル部１１側を前側、反対側を後側として説明する。

パッケージ部１２は、略直方体形状であり、例えば、角筒状のパッケージフレーム１８と、底壁を形成するパッケージ底壁１９と、上部開口を塞ぐパッケージ蓋体２０とを有する。パッケージフレーム１８の前壁には、円筒状のブッシュ２１が設けられている。パッケージ底壁１９は、銅モリブデンや銅タングステン等の材料を用いることができ、また、熱伝導性のよい材料を用いることにより放熱性を高めることができる。パッケージ蓋体２０は、素子や部品の収容と配線後に、これらを密封するようにパッケージフレーム１８に対して固定される。

端子部１３は、例えば、複数のセラミック基板を積層して形成され、パッケージフレーム１８の後壁に嵌め込むような形態で組み付けられ、さらに、パッケージ部１２内の素子と外部系とを電気的に接続する、高周波ライン、電源ラインが形成されている。
これらパッケージ部１２と端子部１３が本発明の「パッケージ」を構成する。

レセプタクル部１１のホルダ１６は、パッケージフレーム１８の前面側に設けたブッシュ２１を介してパッケージ部１２に固定されている。ホルダ１６には、ジョイントスリーブ１５を介してスリーブ１４が結合され、ジョイントスリーブ１５により軸方向と径方向に対する調芯が行われる。スリーブ１４内には、光結合を形成するスタブが配され、ホルダ１６にはスタブ内の光ファイバから出射された信号光を集光し平行光にするレンズが配されている。該レンズからの信号光は、ブッシュ２１内に密封形態で設けられた光学窓１７を経て、パッケージ部１２内に出射される。

パッケージ部１２内には、光分波器２２と反射器２３が収容されている。光分波器２２は、光学窓１７を介して入射された平行光すなわち波長多重光信号光を異なる波長の複数の信号光に分波する。反射器２３は、光分波器２２により分波された信号光（以下、分波信号光という）を、それぞれパッケージ底壁１９から離間する方向に反射させ、より具体的にはパッケージ底壁１９が形成する底面の法線方向に反射させる。反射器２３は例えばプリズムで形成される。光分波器２２と反射器２３は、上下方向に関する中心軸が波長多重光の光軸と一致するように、パッケージ底壁１９上に設けられた台座２４に搭載されている。

台座２４に搭載される部品は、発熱を伴わないパッシブ部品のみであるので、良熱伝導性や良電気伝導性の材料を用いることは要求されず、光分波器２２及び反射器２３の実装面とその反対側の面の平行性や平坦性が良好であればよい。

また、パッケージ部１２内には、反射器２３で反射された分波信号光をそれぞれ集光する複数のレンズ２５ａが透明基板２５ｂの一方の面にアレイ状に一体に形成されて成るレンズアレイ２５と、このレンズアレイ２５を介して分波信号光をそれぞれ受光する複数の受光素子として複数のフォトダイオード（ＰＤ）２６とが収容されている。さらに、パッケージ部１２内には、ＰＤ２６の信号を増幅するプリアンプ回路であるＩＣ部品２７が収容されている。

ＰＤ２６は、レンズアレイ２５の透明基板２５ｂの複数のレンズ２５ａが設けられた面とは反対側の面に直接搭載されている。
一方、レンズアレイ２５は、複数のレンズ２５ａがパッケージ底壁１９と対向するような形態で庇部２９に搭載されている。庇部２９は、図２に示すように、反射器２３を挟むような形態で一対存在し、ＩＣ部品２７が搭載されるブロック２８から前方に張り出すように該ブロック２８に固定されている。レンズアレイ２５は、反射器２３を覆うように庇部２９上に搭載されている。
ＩＣ部品２７は、ブロック２８上に搭載されている。ブロック２８は、パッケージ底壁１９からパッケージ蓋体２０の方向に延び出すように延在し、パッケージ底壁１９上に固定されている。

上記の部品から構成される光受信モジュール１０は、光分波器２２及び反射器２３が実装される面と、ＰＤ２６やレンズアレイ２５が実装される面とが異なっているため、パッケージ内にＩＣ部品２７を搭載し、ＰＤ２６の近くに実装することができる。

また、光受信モジュール１０では、レンズアレイ２５のレンズ２５ａが一体に形成された透明基板２５ｂにＰＤ２６が直接搭載されている。図８の従来の光受信モジュールでは、受光素子アレイ２０２に対して支持ポスト２０８を介してレンズアレイ２０５が実装されている。

図８の光受信モジュールでは、各光学レンズとＰＤ間の距離が、支持ポスト２０８の寸法ばらつきや、該ポストの固定材料の厚さばらつき、レンズアレイ２０５の固定材料の厚さばらつき等の影響を受ける。それに対し、光受信モジュール１０では、レンズ２５ａとＰＤ２６間の距離は、上述のばらつきの影響を受けない。言い換えると、光受信モジュール１０では、レンズアレイ２５のレンズ２５ａが一体に形成された透明基板２５ｂにＰＤ２６が直接搭載されているので、図８の光受信モジュールに比べて、部品の寸法ばらつきや各部品の固定材料の厚さばらつきの影響を受けにくくなっている。

したがって、光受信モジュール１０では、レンズ２５ａとＰＤ２６との距離のばらつきが小さく、信号光のＰＤ２６の受光面でのスポットサイズばらつきが小さいので、ＰＤ２６での受光感度ばらつきが小さくなっている。

また、光受信モジュール１０では、図８の光受信モジュールと異なり、ＰＤ２６が搭載されたレンズアレイ２５を、光分波器２２及び反射器２３の搭載後に行うことができる。したがって、調芯用の光源として実際の波長多重信号光を出射可能なものを用意し、当該光源からの波長多重信号光を搭載済みの光分波器２２に照射し、該光分波器２２により分波され反射器２３により反射された信号光のＰＤ２６での受光強度が最大となるような位置等に、ＰＤ２６が搭載されたレンズアレイ２５を固定することができる。したがって、より正確にＰＤ２６の位置を調芯することができる。

図３及び図４を用いてレンズアレイ２５及びＰＤ２６をより具体的に説明する。図３は、ＰＤ２６が搭載された状態のレンズアレイ２５の正面図、図４は、同レンズアレイ２５の上方斜視図である。
レンズアレイ２５は、図３に示すように、平板状の透明基板２５ｂを有し、透明基板２５ｂのパッケージ底壁１９（図１参照）側の面にレンズ２５ａが一体的に複数アレイ状に形成されている。
レンズアレイ２５の構成材料は、対応する信号光に対して透明な材料であればよく、例えば、赤外光に対して透明である石英やシリコンである。

ＰＤ２６は、その受光面２６ａが設けられた側がレンズアレイ２５の透明基板２５ｂのレンズ２５ａが設けられた面と反対側の面２５ｃと対向するような状態で、該反対側の面２５ｃに搭載される。以下、上記の面２５ｃをＰＤ実装面２５ｃという。

また、ＰＤ２６は、例えば表面入射型ＰＤである。表面入射型ＰＤとは、ＰＤの作製プロセスに関連し、作製の際に半導体基板上に複数の半導体層を成長させて受光層等を形成するが、光入射を半導体基板側からでなはく成長した半導体層側から行う構造のＰＤである。この表面入射型ＰＤでは、成長半導体層上に信号を取り出す電極を形成するため、電極の存在する側と光入射側が一致する。
したがって、表面入射型ＰＤであるＰＤ２６の受光面２６ａをレンズアレイ２５側に向けると不図示の電極もレンズアレイ２５に対向することになり、ＰＤ２６をレンズアレイ２５上にマウントした後に上記電極にワイヤボンディングすることはできない。

そこで、本例では、図４に示すように、レンズアレイ２５のＰＤ実装面２５ｃに配線パターン２５ｄと不図示の電極パッドを形成しておく。該電極パッドに整合するようにＰＤ２６をフリップチップ等の方法でマウントする。その後、配線パターン２５ｄとＩＣ部品２７（図１参照）をワイヤボンディングすることにより、ＰＤ２６とＩＣ部品２７とを電気的に接続することができる。

なお、レンズアレイ２５のＰＤ２６の搭載位置には別途アライメントマークを形成しておくこともできるし、上述の電極パッドをアライメントマークとすることもできる。

以上の例では、ＰＤ２６を表面入射型ＰＤとしたが、裏面入射型ＰＤであってもよい。裏面入射型ＰＤは、表面入射型ＰＤのような半導体層側からではなく半導体基板側から光入射を行う。したがって、裏面入射型ＰＤの場合は、受光面とは反対側すなわち裏面側がレンズアレイと対向した状態でマウントされる。

裏面入射型ＰＤでは、表面側にカソード電極及びアノード電極が形成されているため、マウントした後もこれら電極が露出するので、そこにワイヤボンディング可能である。
裏面入射型ＰＤをレンズアレイにマウントする方法としては、裏面入射型ＰＤをダイマウントするための金属パターンをレンズアレイに形成しておき、上記金属に裏面入射型ＰＤの裏面をダイボンディングする方法が考えられる。

なお、裏面入射型ＰＤでも、裏面側にカソード電極やアノード電極が形成されている場合もある。その場合は、表面入射型ＰＤの例と同様に、ＰＤ側の電極に対する電極パッド及び配線パターンをレンズアレイに形成しておき、フリップチップ等の方法で裏面入射型ＰＤをレンズアレイにマウントすることができる。
このように裏面入射型ＰＤを用いることも可能であるが、ＰＤの寸法ばらつきがＰＤとレンズとの間の距離に影響しないので、表面入射型ＰＤの方が好ましい。

図５は、図１の光受信モジュール１０のＩＣ部品２７付近の側方視部分拡大断面図である。なお、図５及び後述の図６の説明では、ＰＤ２６が表面入射型ＰＤであるものとし、レンズアレイ２５には図４のようにＰＤ実装面２５ｃに配線パターン２５ｄが設けられているものとする。

光受信モジュール１０では、端子部１３の上面１３ａと、ＩＣ部品２７の上面２７ａと、レンズアレイ２５の上面すなわちＰＤ実装面２５ｃとが同一平面となるように、ブロック２８の高さと庇部２９の高さ、すなわち、ブロック２８の上面２８ａの位置と庇部２９の上面２９ａの位置が設定されている。言い換えると、光受信モジュール１０では、ＩＣ部品２７のブロック２８に対向する面とは反対の面である上面２７ａについてのパッケージ底壁１９からの距離と、レンズアレイ２５のＰＤ実装面２５ｃについてのパッケージ底壁１９からの距離が等しくなるように設定されている。

上述のように同一平面／同一距離とすることにより、端子部１３の上面１３ａに設けられた配線パターンとＩＣ部品２７の上面２７ａに設けられた配線パターンとのワイヤリング、ＩＣ部品２７の上面２７ａに設けられた配線パターンとレンズアレイ２５のＰＤ実装面２５ｃに設けられた配線パターン２５ｄとのワイヤリングを最短にすることができる。これにより、光受信モジュール１０の電気的特性を良好にすることができる。

図６は、光受信モジュールの他の例を説明する図であり、図５と同様の位置での側方視部分拡大断面図である。
図６の例では、ＩＣ部品２７が搭載されるブロック２８´とレンズアレイ２５が搭載される庇部２８ｂ´とが一体となっている。このように一体とすることで、ブロック２８´のＩＣ部品搭載部２８ａ´に対する庇部２８ｂ´の位置精度がブロックの加工精度のみで決定されるので、レンズアレイ２５すなわちＰＤ２６の位置精度／調芯精度を向上させることができる。

なお、図の例では、ＩＣ部品２７の上面２７ａとレンズアレイ２５のＰＤ実装面２５ｃとが同一平面となるように、ブロック２８´のＩＣ部品搭載部２８ａ´と庇部２８ｂ´との境界に段差２８ｃ´が設けられている。しかし、加工を容易にするために、段差２８ｃ´を設けないようにしてもよい。この場合、レンズアレイ２５の厚さとＩＣ部品２７の厚さの差だけボンディングワイヤ長さが大きくなるが、電気的特性の大きな影響はない。

１０…光受信モジュール、１１…レセプタクル部、１２…パッケージ部、１３…端子部、１３ａ…上面、１４…スリーブ、１５…ジョイントスリーブ、１６…ホルダ、１７…光学窓、１８…パッケージフレーム、１９…パッケージ底壁、２０…パッケージ蓋体、２１…ブッシュ、２２…光分波器、２３…反射器、２４…台座、２５…レンズアレイ、２５ａ…レンズ、２５ｂ…本体部、２５ｃ…ＰＤ実装面、２５ｄ…配線パターン、２６…ＰＤ、２６ａ…受光面、２７…ＩＣ部品、２８…ブロック、２９…庇部。

Claims (2)

1. 波長多重光を受信し、各波長に対応した電気信号を出力する光受信モジュールであって、
   前記波長多重光が入力され各波長に対応した複数の信号光を出力する光分波器と、
   前記複数の信号光を反射しその光軸を変換する反射器と、
   該反射器により反射された複数の信号光それぞれを集光する複数のレンズと、
   該複数のレンズにより集光された複数の信号光それぞれを受光する複数の受光素子と、
   該複数の受光素子がそれぞれ出力する電気信号を増幅するプリアンプ回路と、
   前記光分波器、前記反射器、前記複数のレンズ、前記複数の受光素子及び前記プリアンプ回路を収納し底壁を備えるパッケージと、を備え、
   前記複数のレンズは、透明基板の一方の面に一体に形成され、前記複数の受光素子は、前記透明基板の他方の面に搭載され、
   前記反射器は、前記複数の信号光を前記パッケージの底壁から離間する方向に反射し、
   前記プリアンプ回路は、前記パッケージの底壁上にブロックを介して搭載され、
   前記複数のレンズが一体に形成された前記透明基板は、前記ブロック上に搭載され、
   前記ブロックは、前記反射器を挟む一対の庇を備え、
   前記複数のレンズが一体に形成された前記透明基板は、前記庇に搭載され、前記反射器を覆っている光受信モジュール。
2. 前記プリアンプ回路の前記ブロックに対向する面とは反対の面についての前記底壁からの距離と、前記透明基板の前記受光素子を実装する面についての前記底壁からの距離は等しい請求項１に記載の光受信モジュール。

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