JP3925562B2 - Semiconductor photo detector module - Google Patents

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Description

本発明は、光通信や光計測に用いられる受光素子(フォトダイオード)、及び受光素子を光ファイバを組み合わせたフォトダイオードモジュールに関する。特に受光面での光パワーの分布がより一様であり受信信号の歪みが少ない受光素子モジュールに関する。   The present invention relates to a light receiving element (photodiode) used for optical communication and optical measurement, and a photodiode module in which the light receiving element is combined with an optical fiber. In particular, the present invention relates to a light receiving element module in which the optical power distribution on the light receiving surface is more uniform and the distortion of the received signal is small.

(1)従来例にかかるフォトダイオードチップまず従来から用いられる一般的なフォトダイオードチップを図1に示す。波長によってフォトダイオードの材料が異なる。光通信などでは近赤外の1.3μmや1.55μmを用いることが多い。これらの光はGaAs素子が発生する光よりも波長が長いので長波長帯という言い方をすることがある。1.3μmや1.55μmの長波長帯では、主にInGaAsを受光層としたpinPDが用いられる。フォトダイオード1は、n−InP基板2の上に、n型InPバッファ層3、n型InGaAs受光層(光吸収層)4、n型InP窓層5をエピタキシャル成長させたエピタキシャルウエハーの上に作られる。素子単位の中央部にZnを拡散してp型領域6を作る。p型領域6とn型半導体の境界がpn接合7である。受光部を除いてパッシベ−ション膜8が形成される。受光部とパッシベ−ション膜8の上に反射防止膜9を被覆する。Zn拡散した受光部の上にp電極10を設ける。基板の裏側にn側電極11を形成する。 (1) Photodiode Chip According to Conventional Example First, a general photodiode chip conventionally used is shown in FIG. The material of the photodiode varies depending on the wavelength. In optical communication and the like, near infrared 1.3 μm or 1.55 μm is often used. Since these lights have longer wavelengths than the light generated by the GaAs element, they may be referred to as long wavelength bands. In the long wavelength band of 1.3 μm and 1.55 μm, pin PD mainly using InGaAs as a light receiving layer is used. The photodiode 1 is formed on an epitaxial wafer obtained by epitaxially growing an n-type InP buffer layer 3, an n-type InGaAs light-receiving layer (light absorption layer) 4, and an n-type InP window layer 5 on an n-InP substrate 2. . Zn is diffused in the center of the element unit to form the p-type region 6. The boundary between the p-type region 6 and the n-type semiconductor is a pn junction 7. A passivation film 8 is formed except for the light receiving portion. An antireflection film 9 is coated on the light receiving portion and the passivation film 8. A p-electrode 10 is provided on the light-receiving part diffused with Zn. An n-side electrode 11 is formed on the back side of the substrate.

これでウエハ−上に同一の素子が数多くできるから切り放してチップとする。チップをパッケージに入れて電極とリードをワイヤボンディングしキャップを被せ、気密封止すると独立の受光素子になる。独立の素子とすることもあるが、使いやすいように光ファイバと受光素子チップを一体化した受光素子モジュールとしても利用される。 Since there are many identical elements on the wafer, the chips are cut out to form chips. When the chip is put in a package, the electrodes and leads are wire-bonded and covered with a cap, and hermetically sealed, an independent light receiving element is obtained. Although it may be an independent element, it is also used as a light receiving element module in which an optical fiber and a light receiving element chip are integrated for ease of use.

(2)従来例にかかるPDモジュールモジュールにする場合は、ケース(パッケージ)12に受光素子チップ1を固定し、光ファイバ14がこれに対向するように設ける。後段の電気回路のグランドにつながれるケース12から浮き上がらせるために、PDチップは、絶縁物を介してグランドに固定される。この絶縁物はサブマウント13と呼ぶ。例えばアルミナ(Al2 3 )、AlNなどのセラミックの板の両面をメタライズしたものなどをサブマウント13とする。パッケージ12にサブマウント13を固定しさらにその上に受光素子チップ1をPbSn半田によって固定する。その後、PDのアノード(p電極)、カソード(n電極)をそれぞれのリード15、16にAu線によってワイヤボンディングする。 (2) When the PD module module according to the conventional example is used, the light receiving element chip 1 is fixed to the case (package) 12 and the optical fiber 14 is provided so as to face the same. In order to float from the case 12 connected to the ground of the subsequent electric circuit, the PD chip is fixed to the ground through an insulator. This insulator is called a submount 13. For example, the submount 13 is formed by metallizing both surfaces of a ceramic plate such as alumina (Al 2 O 3 ) or AlN. The submount 13 is fixed to the package 12, and the light receiving element chip 1 is fixed thereon by PbSn solder. Thereafter, the anode (p electrode) and cathode (n electrode) of the PD are wire-bonded to the leads 15 and 16 with Au wires.

気密封止のために金属製のキャップ22を被せる。この例では、球レンズ23の付いたキャップ22を用いている。光ファイバ14と結合しやすくするためである。ケースピン17はパッケージ12に直付けされる。パッケージ12の外側にはスリーブ18を固定する。フェルールホルダー19にはフェルール20が挿通してある。フェルール20はシングルモードファイバ14の先端を支持している。フェルールホルダー19をスリーブ18に対して水平に移動しファイバ14からの光をフォトダイオード1で検出し適当な光量を得る位置で、フェルールホルダー19をスリーブ18に対して固定する。さらにフェルール20を軸方向に動かしフォトダイオードの光量を監視して軸方向の位置を決め、フェルール20をホルダー19に対して固定する。ファイバの過度の湾曲を防止するために、ベンドリミッタ21がフェルールホルダー19の外側に差し入れられる。 A metal cap 22 is placed for hermetic sealing. In this example, a cap 22 with a spherical lens 23 is used. This is to facilitate coupling with the optical fiber 14. The case pin 17 is directly attached to the package 12. A sleeve 18 is fixed to the outside of the package 12. A ferrule 20 is inserted through the ferrule holder 19. The ferrule 20 supports the tip of the single mode fiber 14. The ferrule holder 19 is moved horizontally with respect to the sleeve 18, and the light from the fiber 14 is detected by the photodiode 1, and the ferrule holder 19 is fixed to the sleeve 18 at a position where an appropriate amount of light is obtained. Further, the ferrule 20 is moved in the axial direction, the light quantity of the photodiode is monitored to determine the position in the axial direction, and the ferrule 20 is fixed to the holder 19. A bend limiter 21 is inserted outside the ferrule holder 19 to prevent excessive bending of the fiber.

特願平6−171873号「アナログPDモジュール及びその製造方法」Japanese Patent Application No. 6-171873 “Analog PD Module and Manufacturing Method” M.MAKIUCHI, O.WADA, T.KUMAI, H.HAMAGUCHI, O.AOKI, Y.OIKAWA, "SMALL−JUNCTION−AREA GaInAs/ InP pin PHOTODIODE WITH MONOLITHIC MICROLENS“, ELECTRONICS LETTERS,vol.24,No.2,p109,(1988)M.M. MAKIUCHI, O.I. WADA, T.W. KUMAI, H.M. HAMAGUCHI, O.I. AOKI, Y.A. OIKAWA, “SMALL-JUNCTION-AREA GaInAs / InP pin PHOTOODIDE WITH MONOLITIC MICROLENS”, ELECTRONICS LETTERS, vol. 24, no. 2, p109, (1988) 特開平4−111477号(特願平2−230206号)Japanese Patent Laid-Open No. 4-111477 (Japanese Patent Application No. 2-230206)

本発明は光CATVの受信器として用いる受光素子とそのモジュールを与えることを目的とする。従来の受光素子やそのモジュールを光CATVに利用するとすればどのような問題があるのかを説明する。初期の光CATVでは、数チャンネル(ch)の伝送を行うにすぎなかった。しかし現在では40CHが標準である。最近ではさらに80CH〜110CHを伝送できるシステムに対する要望もある。このような多チャンネル化に伴い、受信器の周波数帯域も広がらざるをえない。従来は450MHzの帯域で十分であったが、チャンネル数を多くしようとすると、860MHzの周波数帯域が必要になる。 It is an object of the present invention to provide a light receiving element used as a receiver of an optical CATV and a module thereof. It will be described what kind of problems occur if a conventional light receiving element or its module is used for optical CATV. In early optical CATV, only a few channels (ch) were transmitted. However, 40CH is standard now. Recently, there is also a demand for a system that can further transmit 80CH to 110CH. As the number of channels increases, the frequency band of the receiver must be widened. Conventionally, a bandwidth of 450 MHz is sufficient, but an attempt to increase the number of channels requires a frequency band of 860 MHz.

さらに問題がある。より多くの家庭(端末)が加入するようになり、より多くの端末に信号光を送る必要が出てきた。そのためにより高出力のレ−ザ光源を使わざるをえないようになってきた。すると受信光も強くなり、1mW以上の強いパワーのレ−ザ光が受光素子に入射する場合も出てきた。つまり周波数はより高く光強度はより強く集中してきたということができる。 There are further problems. More homes (terminals) have joined, and it has become necessary to send signal light to more terminals. For this reason, it has become necessary to use a laser light source with higher output. As a result, the received light becomes stronger, and laser light having a strong power of 1 mW or more has entered the light receiving element. In other words, the frequency is higher and the light intensity is more concentrated.

従来のPDモジュールでは、パワー集中度が甚だしく周波数の高い信号光を、感度を落とすことなく歪みを生じないように受信することが難しかった。ここで歪みというのは受信器の非線形性による受信信号の乱れのことで、二次歪み、三次歪みなど高次の項が受光素子の出力に含まれるということである。光CATVは、アナログ信号を送信するから、二次歪みがあれば、任意の二つの送信周波数f 、f の和f+fや差f−fが現れる。これらの値が第3の周波数fに接近していると、これらの間で混信が起こる。多くの周波数の信号を含む光信号を1本の光ファイバによって伝送するから歪みがあると著しく受信信号の質を低下させる。歪みが無いことが望まれる。 In a conventional PD module, it has been difficult to receive signal light having a high power concentration and a high frequency without causing a distortion without reducing sensitivity. Here, the distortion is a disturbance of the received signal due to the nonlinearity of the receiver, and means that higher-order terms such as second-order distortion and third-order distortion are included in the output of the light receiving element. Since optical CATV transmits an analog signal, the sum f 1 + f 2 and the difference f 1 -f 2 of any two transmission frequencies f 1 and f 2 appear if there is second-order distortion. If these values are close to the third frequency f 3, interference occurs between them. Since optical signals including signals of many frequencies are transmitted by a single optical fiber, if there is distortion, the quality of the received signal is significantly reduced. It is desirable that there is no distortion.

どうして歪みが生ずるのか?どうして高次の項、高調波が発生するのか?その原因ははっきりしない。しかし次のようなことは分かっている。光のパワーが大きいほど二次歪みは著しい。チャンネル数が多い方が歪みは起こりやすい。高次の項であるからパワーが大きくなるに従って現れやすくなるのは当然である。従来のようにレンズによって幾何光学的に強く絞ると局所的にパワーが大きくなり歪みが現れるのである。つまり光CATVの進展は歪みをより大きくする傾向を色濃く持っている。 Why does distortion occur? Why do higher-order terms and harmonics occur? The cause is not clear. But I know that: The second order distortion is more remarkable as the light power increases. Distortion tends to occur when the number of channels is large. Since it is a high-order term, it is natural that it appears more easily as the power increases. If the lens is strongly squeezed geometrically and optically as in the prior art, the power will increase locally and distortion will appear. In other words, the progress of optical CATV has a strong tendency to increase distortion.

受光素子をレンズの距離を変えてゆくと、感度と歪みが距離の関数として変動する。感度が最大の位置よりも遠くにおいて歪みが小さくなる。歪み抑制を優先すると感度が落ちてしまう。であるから、感度を落とさず歪みを減らすことが難しいと述べたのである。
本発明者は、歪みを減らす為に、球レンズの収差を積極的に利用した受光素子モジュールを特許文献1の特許出願として提案した。
As the distance of the lens of the light receiving element is changed, the sensitivity and distortion vary as a function of distance. Distortion decreases at a distance farther than the position where the sensitivity is maximum. If priority is given to distortion suppression, sensitivity will drop. Therefore, he said it was difficult to reduce distortion without reducing sensitivity.
The present inventor has proposed a light receiving element module that actively uses the aberration of a spherical lens as a patent application of Patent Document 1 in order to reduce distortion.

特許文献1は球レンズによる光ファイバ端面の像点よりももっとレンズ側に受光素子を近づけるものである。感度は高いままで歪みの小さい点が、像点よりもレンズ側にあるのである。これは受光素子位置を前方にデフォーカスすることによって歪みを減らす手法である。
本発明は、同じくアナログPDモジュールにおいて、感度を落とさず、歪みを減らす別の方法を提案する。これはより少ない部品によって歪みの少ない受信器を実現する事ができる。歪みが大きくなるのは局所的に光のパワーが過大になるからである。従来の球レンズや球面をもつレンズは、全ての光を一点に集中させる。この点が光ファイバ端面の像点である。一点集中させると歪みが発生しやすい。
In Patent Document 1, the light receiving element is brought closer to the lens side than the image point on the end face of the optical fiber by the spherical lens. The point where the sensitivity remains high and the distortion is small is located closer to the lens than the image point. This is a technique for reducing distortion by defocusing the light receiving element position forward.
The present invention also proposes another method for reducing distortion without reducing sensitivity in an analog PD module. This makes it possible to realize a receiver with less distortion with fewer components. The distortion increases because the light power is locally excessive. Conventional spherical lenses and lenses with spherical surfaces concentrate all light at one point. This point is the image point on the end face of the optical fiber. Distortion tends to occur when one point is concentrated.

アナログ光信号を受信する受光素子において、信号歪みの少ない受光素子を提供するのが本発明の第1の目的である。多数のチャンネルがあっても混信を起こさないように受信できる受光素子を提供するのが本発明の第2の目的である。部品コストを押し上げることなく、歪みの小さい受信を可能にする受光素子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。
It is a first object of the present invention to provide a light receiving element that receives an analog optical signal and has less signal distortion. It is a second object of the present invention to provide a light receiving element that can receive signals without causing interference even when there are a large number of channels. It is a third object of the present invention to provide a light receiving element module that enables reception with low distortion without increasing the component cost.

本発明の受光素子は、中央部は集光作用がない平坦面とし周辺部のみ凸面としたレンズを受光素子チップに一体的に作るものである。これによって光ファイバからの光を一点に集中させることなく受光素子の受光面の全体に一様に広げるようにする。受光面では光の強度がほぼ一定になるようにし、受光面より外側には光が殆ど存在しないようにする。レンズは特殊な断面形状をしている。中央部では平坦であって集光作用がなく、周辺部では球面の一部であって集光作用がある。簡単にいうと中平周凸レンズということができる。さらに簡単にメサ型レンズと呼ぶことにする。本発明の受光素子は中平周凸レンズ或いはメサ型レンズを一体的に受光素子に形成したというところに特徴がある。 In the light receiving element of the present invention, a lens having a flat surface with no condensing action at the center and a convex surface at the periphery is formed integrally with the light receiving element chip. As a result, the light from the optical fiber is uniformly spread over the entire light receiving surface of the light receiving element without being concentrated at one point. The light intensity is made substantially constant on the light receiving surface, and almost no light is present outside the light receiving surface. The lens has a special cross-sectional shape. The central portion is flat and has no light collecting action, and the peripheral portion is a part of a spherical surface and has a light collecting action. Simply put, it can be called a mid-plane circumferential convex lens. More simply, it will be called a mesa lens. The light receiving element of the present invention is characterized in that a central plane convex convex lens or a mesa lens is integrally formed on the light receiving element.

図15と図16によって、本発明の思想の概略を予め説明する。図15半導体基板の裏面に中平周凸レンズを形成した場合の光線の屈折を示す。レンズはLJ間で平坦であり、LNとJH間で凸球面レンズになっている。LJの内部の円に入射したビ−ムは屈折しないで直進する。シングルモ−ドファイバの開口角の半分の円錐角に含まれるビ−ムが丁度平坦面LJに入るようにする。これより外側のビ−ムは凸球面レンズの部分NL、JHに入るようにする。 The outline of the idea of the present invention will be described in advance with reference to FIGS. FIG. 15 shows the refraction of light rays when a mid-plane circumferential convex lens is formed on the back surface of the semiconductor substrate. The lens is flat between LJ and is a convex spherical lens between LN and JH. The beam incident on the circle inside the LJ goes straight without being refracted. A beam included in a conical angle which is half the opening angle of a single mode fiber is made to enter the flat surface LJ. The outer beam is placed in the convex spherical lens portions NL and JH.

受光素子の受光層は下方のQによって示される。これも円形の領域である。中心部を通ってきた光はLJ間に入るから屈折することなく基板に入り直進して、受光層Qの全体に広がる。受光層Qはこのように中央の平坦部を通過した光を受ける。それだけではない。周辺部LN、JHに到達した光は、強く屈折し、より遠くへ入った光ほど、より内側に曲げられて基板の中央近くの点I、Pに到達する。つまり周辺部の光はLNは分布が反転して基板上ではMPの範囲に広がる。これは部分レンズNL、LHの焦点が基板内部に位置しており、受光面は焦点より遠くにあることに原因がある。 The light receiving layer of the light receiving element is indicated by Q below. This is also a circular area. Since the light that has passed through the central portion enters between the LJs, the light enters the substrate without being refracted and travels straight and spreads over the entire light receiving layer Q. The light receiving layer Q thus receives the light that has passed through the central flat portion. That is not all. The light that has reached the peripheral portions LN and JH is strongly refracted, and the light entering further away is bent inward and reaches the points I and P near the center of the substrate. That is, the distribution of LN in the peripheral portion is inverted and spreads in the MP range on the substrate. This is because the focal points of the partial lenses NL and LH are located inside the substrate, and the light receiving surface is far from the focal point.

これによって好都合なパワ−の再分配が実現する。図16のビ−ムはガウシアンを示すが、レンズの直前では、NLJHに示すようにガウシアンそのものである。イケオウコアの分布を持つ。しかしレンズによってNLとJHの部分が反転するから分布のアとイの部分が縦線L、Jを境に折り曲げたようになりコ、ケに重なる。つまり上にカ、キを積み重ねたような分布に矯正されることになる。つまりイ→キ、ア→カのようなパワーの再分布が起こる。これを起こさせるのが、中平周凸レンズNLJHである。 This provides a convenient power redistribution. The beam in FIG. 16 shows Gaussian, but just before the lens, it is Gaussian itself as shown by NLJH. It has a distribution of Ikeaukoa. However, the NL and JH portions are inverted by the lens, so that the distributions A and B are bent along the vertical lines L and J, and overlap each other. In other words, it is corrected to a distribution in which moss and ki are stacked on top. In other words, power redistribution occurs like i → ki and a → ka. This is caused by the mid-plane circumferential convex lens NLJH.

作りつけのレンズを受光素子に形成するというものはすでにいくつか提案されている。しかしいずれもコスト削減のために独立の球レンズを省いて、チップにレンズ部分を形成したものにすぎない。であるから球面のレンズであって収差のないものが理想とされる。球面レンズであるから一点に光を集中させる。であるから歪みは大きい。アナログの多チャンネル信号を扱うには不適である。本発明とコンセプトが違うのであるが、ここに作りつけレンズの従来例を非特許文献1によって説明する。 Several proposals have already been made for forming a built-in lens on a light receiving element. However, all of them are merely a lens portion formed on a chip, omitting an independent spherical lens for cost reduction. Therefore, a spherical lens having no aberration is ideal. Because it is a spherical lens, it concentrates light on one point. Therefore, the distortion is large. Not suitable for handling analog multi-channel signals. Although the concept is different from that of the present invention, a conventional example of a built-in lens will be described here by Non-Patent Document 1.

非特許文献1はInGaAsを受光層とするInP系のフォトダイオードのInP基板底面に球面の一部をなすレンズを作成したものである。チップの寸法は200μm×200μmである。球面レンズの曲率半径は55μmであって、レンズの開口は50μmである。これはフォトレジストをレンズ状に基板底面に塗布しエッチングすることによって中央でエッチング量を小さく、周辺でエッチング量を大きくして球面の一部をなるレンズをきれいに作成している。これは集光性をあげるためであって歪みは問題にしていない。 Non-Patent Literature 1 is a lens in which a part of a spherical surface is formed on the bottom surface of an InP substrate of an InP photodiode having InGaAs as a light receiving layer. The size of the chip is 200 μm × 200 μm. The radius of curvature of the spherical lens is 55 μm, and the aperture of the lens is 50 μm. In this method, a photoresist is applied to the bottom surface of the substrate in a lens shape and etched to reduce the etching amount at the center and increase the etching amount at the periphery to make a lens that forms a part of a spherical surface neatly. This is to increase the light collecting property, and distortion is not a problem.

受光素子チップに作りつけレンズを設けるという点では同じであるが、本発明とこれらの従来例とは目的が異なり、レンズの形状が相違する。両者を判然と区別することが大切である。そこではじめに従来例にかかる球面レンズの原理を説明することにする。 Although it is the same in that a built-in lens is provided on the light receiving element chip, the purpose of the present invention and these conventional examples are different, and the shape of the lens is different. It is important to clearly distinguish between the two. First, the principle of the spherical lens according to the conventional example will be described.

図3は従来例にかかる作りつけ球面レンズを持つ受光素子に光ファイバからの光線が入射する場合を示す。光ファイバの端点Gからビームが出る。これは円錐形に広がりながら進む。軸線をGTとする。球面レンズbと受光面(受光層)Qが示される。受光面Qは図1のp型InP6の部分に該当する。裏面から入射するようになっていて、図1の素子の底面側から光が入る。n電極はリング状にする。GH、GNが光ファイバの開口角一杯の広がりを示す。この開口角θはクラッド、コアの屈折率によって決まるのであるが、ここでは5.7゜である。そのθのちょうど半分の角度(2.9゜)の広がり角をもつ部分をGJ、GLによって示している。この素子は基板側に球面の一部をもつレンズbを作りつけで作製しているから、すべての光線が集光される。レンズの曲率半径は100μmである。受光素子と光ファイバの距離は500μmとしている。 FIG. 3 shows a case where a light beam from an optical fiber is incident on a light receiving element having a built-in spherical lens according to a conventional example. A beam emerges from the end point G of the optical fiber. This proceeds while spreading in a conical shape. Let axis be GT. A spherical lens b and a light receiving surface (light receiving layer) Q are shown. The light receiving surface Q corresponds to the p-type InP6 portion of FIG. The light enters from the back side, and light enters from the bottom side of the element of FIG. The n electrode is ring-shaped. GH and GN indicate the full opening angle of the optical fiber. The opening angle θ is determined by the refractive index of the cladding and the core, but is 5.7 ° here. A portion having a divergence angle of exactly half the angle (2.9 °) is indicated by GJ and GL. Since this element is manufactured by making a lens b having a part of a spherical surface on the substrate side, all light rays are condensed. The radius of curvature of the lens is 100 μm. The distance between the light receiving element and the optical fiber is 500 μm.

開口角に沿う光線GH、GNはHI、NPのように曲がる。半角の光線GJ、GLはJK、LMのように屈折する。これらの光線は、受光素子の受光層Qに集まる。受光層Qは面方向に広がりがある。光は受光層(面)Qに一様に分布しない。球面レンズbは球面HJLNを持つ結像レンズであるから一点に集中させる傾向がある。結像位置に受光面Qがくるようにレンズを作るから中心付近で光強度が高く周辺部では光強度が弱い。感度は受光面に入った光の総量によるから、感度だけが問題の場合は、光が受光面Qで一点に集中しても差し支えない。 Light rays GH and GN along the opening angle bend like HI and NP. Half-angle rays GJ and GL are refracted like JK and LM. These light rays gather in the light receiving layer Q of the light receiving element. The light receiving layer Q has a spread in the surface direction. Light is not uniformly distributed in the light receiving layer (surface) Q. Since the spherical lens b is an imaging lens having a spherical surface HJLN, it tends to concentrate on one point. Since the lens is formed so that the light receiving surface Q comes to the image formation position, the light intensity is high near the center and the light intensity is weak at the peripheral part. Since the sensitivity depends on the total amount of light entering the light receiving surface, if only the sensitivity is a problem, the light may be concentrated on the light receiving surface Q at one point.

しかし本発明では歪みを問題にする。受光素子において高調波が現れると、差周波数や和周波数が出現し、他のチャンネルとの混信を引き起こす。このような非線形性がどうして出現するのか?いまだ明確でないが、ひとつの原因は光パワーの過度の集中である、と本発明者は考える。図3の作りつけレンズは感度を上げる作用はあるが、歪みには全く無力である。レ−ザのビームの空間的強度分布がガウシアンであるとすると、レンズで絞ったものもガウシアンである。つまりレンズで絞るだけに余計に歪みが大きくなる。 However, distortion is a problem in the present invention. When a harmonic appears in the light receiving element, a difference frequency or a sum frequency appears, causing interference with other channels. Why does such nonlinearity appear? Although not yet clear, the present inventor believes that one cause is excessive concentration of optical power. The built-in lens shown in FIG. 3 has an effect of increasing sensitivity, but has no power for distortion. Assuming that the spatial intensity distribution of the laser beam is Gaussian, the lens focused by the lens is also Gaussian. In other words, the distortion becomes excessive just by squeezing with the lens.

そこで、本発明者はレンズによって光ファイバからの光を集光し、焦点の前後の位置で軸垂直方向の光量の分布と、その位置での歪みIMDを測定した。これによって、ビームの軸垂直方向の広がりと、二次歪みIMDの相関を知ることができる。 Therefore, the present inventor condenses the light from the optical fiber by the lens, and measures the distribution of the light quantity in the direction perpendicular to the axis at the positions before and after the focal point, and the distortion IMD 2 at that position. Thereby, it is possible to know the correlation between the spread in the direction perpendicular to the axis of the beam and the secondary distortion IMD 2 .

図5は軸方向の距離が異なる5つの位置A、B、C、D、Eにおける軸垂直方向の光の分布を実測した結果を示す。全光量はどこでも同じである。点Aがレンズによる光ファイバ端面の像の位置である。ここは当然に光の集中度が高く中心より±10μmの範囲に殆どの光パワーが集中している。点Bはそれより少しレンズ側にデフォーカスした位置である。中心部の光パワーがA点に比べて0.4に低下している。点CはさらにBよりもレンズ側によった位置である。中心部での光パワーがさらに減少しAの場合の0.16倍程度に減り周辺部のパワーが相対的に増えている。光パワーの存在する範囲が±30μmの程度に広がっている。点Dはもっとデフォーカスした位置である。光パワーの広がりは±40μmにもなる。点Eは中央の光パワーがAに比べて0.08の程度であって光は周辺部にまで広がっている。広がりは±50μm程度になる。 FIG. 5 shows the result of actual measurement of the light distribution in the axial vertical direction at five positions A, B, C, D, and E having different distances in the axial direction. The total amount of light is the same everywhere. Point A is the position of the image of the end face of the optical fiber by the lens. Of course, the concentration of light is high and most of the optical power is concentrated in the range of ± 10 μm from the center. Point B is a position defocused slightly toward the lens. The optical power at the center is reduced to 0.4 compared to point A. Point C is a position closer to the lens side than B. The optical power at the center is further reduced, and is reduced to about 0.16 times that of A, and the power at the periphery is relatively increased. The range in which the optical power exists extends to about ± 30 μm. Point D is a more defocused position. The spread of optical power is as much as ± 40 μm. At point E, the optical power at the center is about 0.08 compared to A, and the light spreads to the peripheral part. The spread is about ± 50 μm.

このように広がっていても像を見るのではなく、受光素子で光強度を検出すればよいのであるから別段差し支えない。受光素子の受光面積がこれらのビーム広がりをカバーしてさえいればよいのである。受光素子の広がりを±50μm以上つまり直径を100μm以上にすれば、点Eのように著しいデフォーカスであっても総光量を受けることができる。図5(b)はそれぞれの位置における二次歪みIMDの測定結果である。これは驚くべきことを明らかにする。横軸は光密度の比である。これは軸中心への光パワーの集中度をAを基準にしdB単位で示したものである。縦軸は二次歪みである。 Even if it spreads in this way, it is only necessary to detect the light intensity with the light receiving element instead of looking at the image. It is only necessary that the light receiving area of the light receiving element covers these beam spreads. If the spread of the light receiving element is set to ± 50 μm or more, that is, the diameter is set to 100 μm or more, the total amount of light can be received even if the defocusing is significant as in point E. FIG. 5B shows the measurement result of the second order distortion IMD 2 at each position. This reveals surprising things. The horizontal axis is the light density ratio. This shows the degree of concentration of optical power at the axis center in dB units with reference to A. The vertical axis represents the second order distortion.

これは信号sが入射したとき、受光素子の出力がas+bs +…と表現されるとき、二次の高調波を一次成分で割ったもので、10log(bs/a)である。横軸は左へ行くほど中心での光パワーが弱くなり、分散の甚だしいものである。ところが、二次歪みはなんと分散の大きいビーム形の方がより小さいのである。点Aは焦点の位置に受光素子をおいたというものであるが、二次歪みは大きく−57dBである。点Bではビームが広がるが歪みは−66dBに減る。点Eでは光は広く分散しているが二次歪みは−83dBと極めて小さい。 When the signal s is incident and the output of the light receiving element is expressed as as + bs 2 +..., The second harmonic is divided by the primary component, which is 10 log (bs / a). On the horizontal axis, the optical power at the center becomes weaker as it goes to the left, and the dispersion is severe. However, the second-order distortion is smaller in the beam form having a large dispersion. Point A is that the light receiving element is placed at the focal point, but the second-order distortion is large, −57 dB. At point B, the beam spreads, but the distortion is reduced to -66 dB. At point E, the light is widely dispersed, but the second-order distortion is as small as −83 dB.

このような結果は常識に反するものである。結像系ということでは点Aの焦点位置に受光素子を置くのがもっとも良い。しかし歪みは最も大きい。反対に光が広がっている点Eでは結像していないのでこの位置に受光素子を置くというのは抵抗があるかも知れない。 Such a result is contrary to common sense. In terms of the imaging system, it is best to place the light receiving element at the focal position of point A. But the distortion is greatest. On the other hand, since no image is formed at the point E where the light spreads, placing the light receiving element at this position may have resistance.

しかし実際には予想に反し、この位置が最も二次歪みが小さい。良い結像系はすなわち、歪みの低い良い受信をすると思いがちであろう。しかし事実は全く反対である。良い結像系は深刻な歪みをもたらすのである。このような歪みと結像の相反性が本発明者がおそらく初めて気づいたものであろう。 However, actually, contrary to expectation, this position has the smallest secondary distortion. A good imaging system will tend to think of good reception with low distortion. But the fact is exactly the opposite. A good imaging system causes severe distortion. The present inventor is probably the first to notice such reciprocity between distortion and imaging.

さてこれからビームの分布の問題を取り上げる。そのためにはじめに光ファイバを伝搬した光の軸と直角方向の光パワーの分布について述べる。図4はガウシアンビームを仮定した場合の光ファイバ出射光の角度分布を示す。これはレ−ザの横モードによって決まるのであるが、典型的な例としてガウシアンビームを取り上げる。横軸は出射角θである。光量が0になる角度が開口角である。つまりH、N点がここに対応する。θ1/2はパワーが中心の半分に減る角度である。L、Jがこれに対応する。 Now, let's take up the problem of beam distribution. For this purpose, the distribution of the optical power in the direction perpendicular to the axis of the light propagated through the optical fiber will be described first. FIG. 4 shows the angular distribution of light emitted from the optical fiber when a Gaussian beam is assumed. This depends on the laser transverse mode, but a Gaussian beam is taken as a typical example. The horizontal axis is the emission angle θ. The angle at which the amount of light becomes 0 is the opening angle. That is, points H and N correspond to this point. θ 1/2 is an angle at which the power is reduced to half of the center. L and J correspond to this.

このようなガウシアンを収差のないレンズで集光し或いは拡散しても横方向の分布は常にガウシアンである。収差が無いと言うことは原画像を忠実に拡大縮小するということである。ガウシアンのように中心に局在するビームを絞ると、図5のAの例のようになるが、これは最も歪みが甚だしくなるのである。図5は局在させない方が歪みを小さくできるということを言っている。本発明者の先願は受光素子を結像点よりレンズ側にずらして歪みを減らしている。 Even if such Gaussian is condensed or diffused by a lens having no aberration, the distribution in the lateral direction is always Gaussian. To say that there is no aberration means to faithfully scale the original image. When a beam localized at the center, such as Gaussian, is focused as shown in the example of FIG. 5A, this causes the most distortion. FIG. 5 shows that distortion can be reduced by not localizing. The prior application of the present inventor reduces the distortion by shifting the light receiving element to the lens side from the imaging point.

本発明では異なる手法でやはり中心への光パワーの集中を防ぐ。いかなる手法を用いるのか?レンズに工夫をする。中心部はほぼ平坦で、周辺部を球面の一部とする。周辺部では集光結像の作用がある。しかし中心部は、結像集光作用がない。 In the present invention, concentration of optical power at the center is also prevented by different methods. What method should be used? Devise a lens. The central part is substantially flat and the peripheral part is a part of a spherical surface. There is an effect of focused image formation in the peripheral area. However, the central portion does not have an image focusing function.

この表現は分かりやすいが、不正確である。中心部も周辺部も結像作用があるのはある特定の距離zにおいてである。中心部の焦点距離をf、周辺部の焦点距離をfとすると、f >f であって、受光素子の受光面が周辺部の結像点の近傍にくるようにするということである。曲率半径でいうと中心部の曲率ρが周辺部の曲率ρよりも小さく(ρ <ρ)、受光面が周辺部による像点の近くにある、ということである。 This expression is straightforward but inaccurate. It is at a specific distance z that the central part and the peripheral part have an imaging effect. Assuming that the focal length of the central portion is f 1 and the focal length of the peripheral portion is f 2 , f 1 > f 2 , and the light receiving surface of the light receiving element is positioned in the vicinity of the imaging point of the peripheral portion. It is. In terms of the radius of curvature, the curvature ρ 1 at the center is smaller than the curvature ρ 2 at the periphery (ρ 12 ), and the light receiving surface is near the image point by the periphery.

つまり二つの条件があり、レンズの幾何学的な特異性が一つ、レンズと受光面の距離zがもう一つの条件である。後者の条件も重要である。前者はレンズの幾何学的な異形性であって分かりやすい。しかし後者の条件を、忘れてはならない。 That there are two conditions, one geometric specificity of the lens, the distance z 1 of the lens and the light receiving surface is another condition. The latter condition is also important. The former is a geometrical variant of the lens and is easy to understand. But the latter condition must not be forgotten.

そうするとレンズの周縁部に到達した光は中心方向に集光されるが、中央部に至った光は集光されない。このような半径方向の集光の特異性があるから、はじめガウシアンであっても、中央部はほぼ平坦な光パワーをもち周辺部は殆ど光パワーがないようになる。つまり中央集中的なガウシアン分布をしていた光は、本発明のメサ型レンズによって矩形分布の光になる。
図7は矩形分布の光パワーを示す。横軸は角度θである。これは受光面における広がりと解釈することもできる。殆どの光パワーは線L、Jの間に入る。LJの外側に漏れる光はごくわずかである。
If it does so, the light which reached | attained the peripheral part of a lens will be condensed in the center direction, but the light which reached the center part will not be condensed. Due to such radial condensing peculiarities, even in the case of Gaussian at first, the central portion has almost flat light power and the peripheral portion has almost no light power. That is, light having a centrally concentrated Gaussian distribution is converted into a rectangular distribution by the mesa lens of the present invention.
FIG. 7 shows the optical power of a rectangular distribution. The horizontal axis is the angle θ. This can also be interpreted as spreading on the light receiving surface. Most of the optical power falls between lines L and J. Very little light leaks outside the LJ.

受光層において光密度が高いほど歪みが大きくなる。感度は、全光量に比例する。本発明は受光素子チップに中平周凸レンズを作りつけにし、あるいは固定するので受光層において光密度分布が一様になる。本発明は光密度が受光層においてほぼ均一であるから歪みは小さくしかも感度が大きい。歪みが小さいのでアナログのPDモジュールとして最適である。チャンネルの数が多くてもクロストークなどが起こらない。高感度で低歪みの受信器を作製することができる。光CATVの受信器の受光素子モジュールや、光計測に用いる受光素子として最適な性能を持つ。
The higher the light density in the light receiving layer, the greater the distortion. Sensitivity is proportional to the total amount of light. According to the present invention, since the mid-plane circumferential convex lens is built in or fixed to the light receiving element chip, the light density distribution becomes uniform in the light receiving layer. In the present invention, since the light density is almost uniform in the light receiving layer, the distortion is small and the sensitivity is high. Since distortion is small, it is optimal as an analog PD module. Crosstalk does not occur even if the number of channels is large. A highly sensitive and low distortion receiver can be manufactured. It has optimum performance as a light receiving element module of an optical CATV receiver and a light receiving element used for optical measurement.

[実施例1:受光層の直径が50μmの受光素子チップ]
図6は本発明の第1の実施例にかかる受光素子モジュールの概略断面である。InP基板にInGaAs受光層Qをもうけている。これは裏面入射型の受光素子チップである。チップの厚さは100μmである。裏面(つまり基板面)にメサ型レンズを作る。つまり中央部JLでは平坦な面をもち、周辺部LN、HJでは半径R=100μmの球面となっている。光ファイバGとの距離は500μmである。図3のものと違うのは、レンズの中央部LJが平坦面になっているところである。LJ部分は半径50μmの円形の領域である(LJ=100μm)。レンズ全体の大きさは半径100μm(HN=200μm)である。
[Example 1: Light-receiving element chip with a light-receiving layer diameter of 50 μm]
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of the light receiving element module according to the first embodiment of the present invention. An InGaAs light receiving layer Q is provided on the InP substrate. This is a back-illuminated light receiving element chip. The thickness of the chip is 100 μm. Make a mesa lens on the back (that is, the substrate surface). That is, the central portion JL has a flat surface, and the peripheral portions LN and HJ have a spherical surface with a radius R = 100 μm. The distance from the optical fiber G is 500 μm. 3 is different from that of FIG. 3 in that the central portion LJ of the lens is a flat surface. The LJ portion is a circular region having a radius of 50 μm (LJ = 100 μm). The overall size of the lens is a radius of 100 μm (HN = 200 μm).

1.3μm用のシングルモードファイバの場合、開口角は5.7度である。しかし特に強度の強い部分は2.9度の範囲である。だからGL、GJの部分に光量の大部分が含まれる。JLは平坦面であるから境界でスネルの法則に従って屈折するが殆ど光軸と平行な光となる。InPの屈折率が3.5と大きい値であるためにJLの端点でも広がり角は0.83度にすぎない。つまりJK、LMは光軸GTに殆ど平行である。集光作用はない。LJでのビームの分布(ガウシアンの中央部)をそのままKMに転写すると言って良い。これだけではLJ間で光強度が一様にならない。ガウシアンのままである。ガウシアンの両端部の下がりを埋めるのがそれより外側からくる光なのである。 In the case of a single mode fiber for 1.3 μm, the aperture angle is 5.7 degrees. However, the particularly strong portion is in the range of 2.9 degrees. Therefore, most of the light amount is included in the GL and GJ portions. Since JL is a flat surface, it is refracted according to Snell's law at the boundary, but becomes almost parallel to the optical axis. Since the refractive index of InP is as large as 3.5, the divergence angle is only 0.83 degrees even at the end point of JL. That is, JK and LM are almost parallel to the optical axis GT. There is no light collecting effect. It can be said that the beam distribution at the LJ (the central part of Gaussian) is directly transferred to the KM. This alone does not make the light intensity uniform between the LJs. It remains Gaussian. It is the light coming from the outside that fills the decline at both ends of Gaussian.

残りの光は2.9゜〜5.7゜にある。これらは球面レンズの一部JH、LNによって屈折し集光される。球面JH、LNの結像距離に受光層Qが位置する。レンズ端面からの受光層までの距離fの厳密な設定が重要である。レンズから受光面までの距離を適当に決めることにより、周辺部で屈折された光が殆ど全て受光面に入射し、しかも受光面内での光強度分布を一様にできる。例えば最外角の5.7°の光は屈折されて20.4゜の角度で絞られる。その広がりを50μmφ(受光層の面積)にするには、受光層が基板裏面からw=67μmの深さに形成されていれば良い。 The remaining light is between 2.9 ° and 5.7 °. These are refracted and condensed by a part of the spherical lens JH and LN. The light receiving layer Q is located at the imaging distance of the spherical surfaces JH and LN. The exact setting of the distance f from the lens end surface to the light receiving layer is important. By appropriately determining the distance from the lens to the light receiving surface, almost all the light refracted at the peripheral portion is incident on the light receiving surface, and the light intensity distribution in the light receiving surface can be made uniform. For example, the outermost 5.7 ° light is refracted and narrowed at an angle of 20.4 °. In order to make the spread 50 μmφ (area of the light receiving layer), the light receiving layer may be formed at a depth of w = 67 μm from the back surface of the substrate.

このような構成によって図7のような受光層面内で、均一な光強度をうることができる。中央部の光は平行に進むから距離wはどうでも良い。しかしレンズ部を通る周辺の光にとって、距離wは重要である。距離を厳密に決めなければならないので、作りつけのレンズが有利なのである。メサ型のレンズを外部にとりつける場合は位置決めに手数がかかる。また不正確である恐れもある。作りつけにしてしまえば位置決めも不要である。 With such a configuration, uniform light intensity can be obtained within the light receiving layer surface as shown in FIG. Since the light in the central part travels in parallel, the distance w is not important. However, the distance w is important for ambient light passing through the lens portion. A built-in lens is advantageous because the distance must be determined precisely. When attaching a mesa lens to the outside, it takes time to position the lens. It can also be inaccurate. Once built, positioning is not necessary.

そのような観点からメサ型のレンズによって光パワーを矩形分布にしようとする場合、図8のように裏面入射型の受光素子として、基板裏面に作りつけレンズを作製すればよい。これは図1の受光素子を上下反対にした形状に書いてある。n型InP基板2の上にn型InPバッファ層3、n型InGaAs受光層4、n型InPクラッド層(窓層)5がエピタキシャル成長してあり、n型InPクラッド層の中央部にはp型領域6が形成される。これとは別に周辺部にもp型領域30がある。これは漏れ光吸収用のp型領域である。周辺部にもしも漏れ光が入ってここで光電変換されてもpn接合があり電荷が電極まで走行できない。漏れ光が光電流を発生しないので応答性に優れる。中央部のp型領域の上にはp側電極31がある。これはリング電極ではない。p側から光を入射する必要がないからである。p側電極31以外の領域はパッシベ−ション膜8によって覆われている。 From this point of view, when the light power is to be made to be a rectangular distribution using a mesa lens, a built-in lens may be fabricated on the back surface of the substrate as a back-illuminated light receiving element as shown in FIG. This is written in a shape in which the light receiving element of FIG. 1 is turned upside down. An n-type InP buffer layer 3, an n-type InGaAs light receiving layer 4, and an n-type InP clad layer (window layer) 5 are epitaxially grown on the n-type InP substrate 2, and a p-type is formed at the center of the n-type InP clad layer. Region 6 is formed. Apart from this, there is also a p-type region 30 in the periphery. This is a p-type region for absorbing leaked light. Even if light leaks into the peripheral part and is photoelectrically converted here, there is a pn junction, and electric charges cannot travel to the electrode. Leaked light does not generate photocurrent, so it has excellent responsiveness. A p-side electrode 31 is present on the central p-type region. This is not a ring electrode. This is because it is not necessary to enter light from the p side. The region other than the p-side electrode 31 is covered with the passivation film 8.

裏面から光が入るタイプの素子であるが、入射部分に作りつけレンズ33が形成してある。これはn型InP基板の一部を残すことによって作られるレンズである。単純な球面を持つレンズではない。中央部が平坦面34に周辺部が球面35になったメサ型のレンズである。レンズの回りに、n側の電極32が形成される。このようにメサ型レンズを使うと、図7のように特定の広がりLJ間での光パワーがほぼ一定になり、その外側での光パワーがほぼ0になる。これはメサ型レンズの効果である。 Although this is a type of element in which light enters from the back surface, a built-in lens 33 is formed at the incident portion. This is a lens made by leaving a part of an n-type InP substrate. It is not a lens with a simple spherical surface. The mesa-type lens has a flat surface 34 at the center and a spherical surface 35 at the periphery. An n-side electrode 32 is formed around the lens. When the mesa lens is used in this way, the optical power between the specific spreads LJ becomes almost constant as shown in FIG. 7, and the optical power on the outside becomes almost zero. This is an effect of a mesa lens.

作りつけにした効果はまた別にある。一つは部材を減らしたので部品コストを下げることができる、ということである。もう一つは、もっと根本的な長所である。ガウシアンビームを図7のように矩形分布に変化させるには、レンズと受光面の距離を厳密に規定しなければならない。独立のメサ型レンズを別体で制作しても位置合わせが難しい。軸方向の位置合わせ、軸直角方向の調芯などの作業に時間がかかり製造コストを押し上げる。作りつけならそのような調芯固定の作業が全く不要である。 There is another built-in effect. One is that the cost of parts can be reduced because the number of members is reduced. The other is a more fundamental advantage. In order to change the Gaussian beam into a rectangular distribution as shown in FIG. 7, the distance between the lens and the light receiving surface must be strictly defined. Even if an independent mesa lens is produced separately, alignment is difficult. Work such as axial alignment and alignment in the direction perpendicular to the axis takes time and increases manufacturing costs. If it is built-in, such alignment fixing work is completely unnecessary.

すると作りつけメサ型レンズをどのようにして作ることができるのか?問題はここに絞られよう。ところがメサ型レンズを作るのは簡単である。図9によって説明する。図9(a)のように、InP基板2の裏面にレジスト38を半球状に形成する。そしてイオンビ−ム39を照射してイオンエッチングする。レジスト38によって覆われた部分40はそのまま残る。覆われない部分41は一様に除去されて行く。レジスト38によって覆われた部分40も安泰ではない。イオンビ−ムによってレジストも次第にエッチングされて痩せてくるのである。 How can you make a built-in mesa lens? The problem will be narrowed down here. However, it is easy to make a mesa lens. This will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 9A, a resist 38 is formed in a hemispherical shape on the back surface of the InP substrate 2. Then, ion etching is performed by irradiating the ion beam 39. The portion 40 covered with the resist 38 remains as it is. The uncovered portion 41 is removed uniformly. The portion 40 covered with the resist 38 is not safe. The resist is also gradually etched away by the ion beam.

レジスト38が端から削られて行くので被覆部が減少してくる。被覆部40の端の部分42から基板が露呈してきてその部分が削られる。レジスト38が段々と低く狭くなり次第に露出した部分が削られるから図9(b)のようにレジスト38の減少とともにレンズのような形状に基板成分が残って行く。レジスト38が全部消えるまでエッチングをすると完全に球面のレンズができる。 Since the resist 38 is shaved from the edge, the covering portion is reduced. The substrate is exposed from the end portion 42 of the covering portion 40, and the portion is shaved. Since the exposed portion of the resist 38 gradually becomes lower and narrower, the exposed portion is shaved. As shown in FIG. 9B, the substrate component remains in a lens-like shape as the resist 38 decreases. Etching until the resist 38 has completely disappeared produces a completely spherical lens.

しかしそこまでエッチングを進行させない。図9(b)のように、中央部に少しのレジスト38を残す時にエッチングを終了する。レジストがなくなっている部分43は凸球面の一部になっている。レジスト38が残っている部分は平坦面44になる。このようにレジストを一部に残した状態でエッチングを止めるということが重要である。ここでレジストを除くと、図9(c)のように平坦面34と凸球面35よりなる中平周凸レンズ33が作製される。 However, the etching is not advanced so far. As shown in FIG. 9B, the etching is finished when a little resist 38 is left in the central portion. The portion 43 where the resist disappears is a part of the convex spherical surface. The portion where the resist 38 remains is a flat surface 44. In this way, it is important to stop the etching with the resist partly left. Here, when the resist is removed, an intermediate flat convex lens 33 composed of a flat surface 34 and a convex spherical surface 35 is produced as shown in FIG.

[実施例2:受光層直径が80μmの受光素子チップ]
実施例1では受光径が50μmのものについて説明した。光CATVで使用される周波数はせいぜい1GHzまでである。あまり高くないから受光径がかなり広くても十分に動作する。PDの受光径は80μm〜100μmのものが使われる。そこで、受光径が80μmの場合の実施例を説明する。
[Example 2: Light receiving element chip with light receiving layer diameter of 80 μm]
In the first embodiment, the case where the light receiving diameter is 50 μm has been described. The frequency used in optical CATV is at most up to 1 GHz. Since it is not so high, it works well even if the light receiving diameter is quite wide. The light receiving diameter of the PD is 80 μm to 100 μm. Therefore, an embodiment in the case where the light receiving diameter is 80 μm will be described.

図10によって受光素子の断面と光線の屈折などを表す。チップの厚みは基板とエピタキシャル層を含めて約120μmである。受光面の径(受光径)は2r=80μmである。基板の裏面には直径が160μmのメサ型の作りつけレンズが形成される。中央部には平坦面JLがあってこれの直径は80μmである。受光層の直径80μmと等しくしてある。従ってr=40μm〜80μmの同心円状の部分が球面の一部をなす凸湾曲面になっている。 FIG. 10 shows the cross section of the light receiving element and the refraction of light rays. The thickness of the chip is about 120 μm including the substrate and the epitaxial layer. The diameter of the light receiving surface (light receiving diameter) is 2r = 80 μm. A mesa-type built-in lens having a diameter of 160 μm is formed on the back surface of the substrate. There is a flat surface JL in the center, and the diameter is 80 μm. The diameter of the light receiving layer is set equal to 80 μm. Therefore, the concentric part of r = 40 μm to 80 μm is a convex curved surface forming a part of a spherical surface.

図3、図6に関連して述べたように、1.3μm用のシングルモードファイバの場合、開口角は5.7゜であるが、強度の強い光は主に2.9゜(頂角は5.8゜)の円錐に含まれる。θ=2.9゜の円錐が、図10のレンズの平坦部LJ(80μmφ)に合致するのは、ファイバ端とレンズの距離がL=800μmとなる時である。つまり2Lθ1/2 =JLによってLを決める。するとθ1/2 =2.9゜に含まれる強度の強い光は平坦面JLに入射する。これは単純な平面であるから集光されることなくほぼ平行光(傾き角は0.83゜)InPの屈折率が大きいから)となって受光層に至る。JK、LMのようにそのまま直進し受光層のほぼ全域に広がる。 As described with reference to FIGS. 3 and 6, in the case of a single mode fiber for 1.3 μm, the aperture angle is 5.7 °, but the strong light is mainly 2.9 ° (vertical angle). Is contained in a cone of 5.8 °. The cone of θ = 2.9 ° coincides with the flat portion LJ (80 μmφ) of the lens in FIG. 10 when the distance between the fiber end and the lens is L = 800 μm. That is, L is determined by 2Lθ 1/2 = JL. Then, the strong light included in θ 1/2 = 2.9 ° is incident on the flat surface JL. Since this is a simple plane, it is not condensed but becomes almost parallel light (because the tilt angle is 0.83 °) and the refractive index of InP is large, and reaches the light receiving layer. It goes straight as it is like JK and LM and spreads over almost the entire area of the light receiving layer.

そうは言っても2.9゜に含まれていても元はガウシアンであるから、端での光パワーは相対的に弱い。これを補填するのが球面JH、LNからの収束光である。これは半径が160μmの球殻の一部を持つ。LN内に入って来た光はLU、NPによって囲まれる範囲に屈折される。受光層の端のUPの部分にこれらの光が入射する。LUの軸線となす角度は9.6゜である。外側の光線NPは軸と20.4゜をなす。受光層は裏面から108μmである。レンズ面の点Nと受光層の点Pは軸直角方向に40μm(=108tan20.4゜)隔てることになる。つまりM点は受光層の端であることになる。 Even so, even if it is included in 2.9 °, it is originally Gaussian, so the optical power at the edge is relatively weak. It is the convergent light from spherical surfaces JH and LN that compensates for this. It has a part of a spherical shell with a radius of 160 μm. Light entering the LN is refracted to a range surrounded by LU and NP. These lights enter the UP portion at the end of the light receiving layer. The angle formed with the LU axis is 9.6 °. The outer ray NP makes an axis of 20.4 °. The light receiving layer is 108 μm from the back surface. The point N on the lens surface and the point P on the light receiving layer are separated by 40 μm (= 108 tan 20.4 °) in the direction perpendicular to the axis. That is, the point M is the end of the light receiving layer.

つまりLN、JHを通る光はM点、K点よりさらに内側に屈折して受光層の両端の光線不足の部分の光パワーを増強する。まことに優れた配分になる。これは実施例1よりも受光層の広い例である。光パワーの分布は図7のようになる。中平周凸レンズの製造方法は図9で説明した通りである。 That is, the light passing through LN and JH is refracted further inside than the points M and K to enhance the light power of the light-deficient portions at both ends of the light receiving layer. The distribution is truly excellent. This is an example in which the light receiving layer is wider than that of the first embodiment. The distribution of optical power is as shown in FIG. The manufacturing method of the mid-plane circumferential convex lens is as described in FIG.

[実施例3:PDモジュールへの応用]PDチップ50は裏面入射型のチップで図8に示すような構造を持つ。p側電極の方が下にくるようにサブマウント51を介してステム52に固着される。ステム52は円形のパッケージであり、下向きにリードピン53、54、55などを持つ。サブマウント51は両面にメタライズしたセラミックの板である。p側電極をステム52から絶縁する必要があるので、サブマウント51を使う。受光素子チップ50は先述のように裏面入射型であり、入射部分に中平周凸レンズ33が形成されている。中央の平坦部34と周辺の凸球面35を含む。チップ50の上にはキャップ56が設けられる。キャップは真ん中に窓があり、ガラス窓57が固定される。さらにホルダー58がステム52の上に固定される。 [Example 3: Application to PD Module] The PD chip 50 is a back-illuminated chip having a structure as shown in FIG. The p-side electrode is fixed to the stem 52 via the submount 51 so that the p-side electrode is on the lower side. The stem 52 is a circular package and has lead pins 53, 54, 55 and the like facing downward. The submount 51 is a ceramic plate metallized on both sides. Since it is necessary to insulate the p-side electrode from the stem 52, the submount 51 is used. As described above, the light receiving element chip 50 is of a back-surface incident type, and an intermediate plane convex lens 33 is formed at the incident portion. A central flat portion 34 and a peripheral convex spherical surface 35 are included. A cap 56 is provided on the chip 50. The cap has a window in the middle, and the glass window 57 is fixed. Further, the holder 58 is fixed on the stem 52.

ホルダー58は、フェルール59を受光素子チップの直上に支持するものである。フェルール59はシングルモードファイバ60の先端を支持している。ファイバ60の先端は斜めに研磨されている。p電極はワイヤ62によってリードピン53に接続される。n電極は、ワイヤ61によってリードピン55に製造される。ファイバに光を通し、PDに光を入射させ、PDの光電流を測定し、光量が最大になるように軸垂直方向にホルダー58を動かして調芯する。さらにフェルール59を軸方向に動かして最適の位置で固定する。これによって、図7のような矩形の光パワー分布を得ることができるから、歪みの小さい受光素子モジュールを得ることができる。軸方向の最適の位置というのは図10に関連して説明したように開口角の広がりの周辺部が中平周凸レンズの周辺に対応し、θ1/2 に含まれる光が平坦部34と曲面部35の境界に対応するような位置である。光量が最大ということとはまた異なる。 The holder 58 supports the ferrule 59 directly above the light receiving element chip. The ferrule 59 supports the tip of the single mode fiber 60. The tip of the fiber 60 is polished obliquely. The p electrode is connected to the lead pin 53 by a wire 62. The n-electrode is manufactured on the lead pin 55 by the wire 61. Light is passed through the fiber, light is incident on the PD, the photocurrent of the PD is measured, and the holder 58 is moved in the direction perpendicular to the axis so as to maximize the light quantity. Further, the ferrule 59 is moved in the axial direction and fixed at an optimum position. As a result, a rectangular optical power distribution as shown in FIG. 7 can be obtained, so that a light receiving element module with small distortion can be obtained. As described with reference to FIG. 10, the optimum position in the axial direction is such that the peripheral portion of the opening angle spread corresponds to the periphery of the mid-plane convex lens, and the light included in θ1 / 2 is the flat portion 34 and the curved surface. The position corresponds to the boundary of the part 35. It is also different from the maximum amount of light.

[PDチップの製造方法]図8に示す本発明の実施例にかかる受光素子チップの製造方法をつぎに説明する。n型InPウエハ−を用意する。その上にn型InPバッファ層3、n型InGaAs光吸収層(受光層)4、n型InP窓層5をエピタキシャル成長させる。n型InP基板の裏面に、図9に示した方法によって中平周凸レンズ33を作る。レンズにはSiNの反射防止膜が形成される。n型窓層の中央部にはZn拡散によってp領域6を作る。これが作るpn接合が受光層になる。受光層の直径は80μm(実施例2)と50μm(実施例1)である。このp領域6のすぐ上にp側電極31をつける。また周辺部にはやはりZn拡散によるp層30が形成されている。これは漏れ光を吸収しp電極31に行かないようにする作用がある。 [Method for Manufacturing PD Chip] A method for manufacturing the light receiving element chip according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 8 will be described below. An n-type InP wafer is prepared. An n-type InP buffer layer 3, an n-type InGaAs light absorption layer (light-receiving layer) 4, and an n-type InP window layer 5 are epitaxially grown thereon. On the back surface of the n-type InP substrate, a mid-plane circumferential convex lens 33 is formed by the method shown in FIG. A SiN antireflection film is formed on the lens. A p region 6 is formed at the center of the n-type window layer by Zn diffusion. The pn junction formed by this becomes the light receiving layer. The diameter of the light receiving layer is 80 μm (Example 2) and 50 μm (Example 1). A p-side electrode 31 is attached immediately above the p region 6. A p layer 30 is also formed in the periphery by Zn diffusion. This has the effect of absorbing leakage light and preventing it from going to the p-electrode 31.

入射光は基板裏面中央のレンズ33を通り基板側から入射するので、基板側のn−電極32はリング状の電極とする。電極によって囲まれている中央部から光が入り、バッファ層3を通過し、InGaAs受光層に至る。ここで電子正孔対を発生させて消滅する。電子はn電極32に向かって走り、正孔はp電極を目指して走行する。電極間に光電流が流れる。これによって光電変換される。 Since incident light passes through the lens 33 at the center of the back surface of the substrate and enters from the substrate side, the n-electrode 32 on the substrate side is a ring-shaped electrode. Light enters from the center surrounded by the electrodes, passes through the buffer layer 3, and reaches the InGaAs light receiving layer. Here, electron-hole pairs are generated and disappear. Electrons travel toward the n-electrode 32 and holes travel toward the p-electrode. A photocurrent flows between the electrodes. As a result, photoelectric conversion is performed.

レンズ33によって光を絞るから、周辺部に漏れる光は本来存在しないはずであるが、もしも漏れたとしても漏れ光吸収用のp領域30で電子正孔を生ずるからこれはpn接合を越えることができず、光電流にならない。これは特許文献2によって本出願人が提案したものである。p側から光が入射する受光素子において特に必要である。本発明は裏面入射であってしかもレンズ付きであるから漏れ光のようなものはもともと殆どないが、たとえあってもその影響を完全に遮断することができるのである。 Since the light is squeezed by the lens 33, the light leaking to the peripheral portion should not originally exist, but if it leaks, an electron hole is generated in the p region 30 for absorbing leaked light, which may exceed the pn junction. It cannot be done and it does not become photocurrent. This is proposed by the present applicant in Patent Document 2. This is particularly necessary in a light receiving element in which light enters from the p side. Since the present invention is back-incident and has a lens, there is essentially no leakage light, but the influence can be completely blocked even if it exists.

このような方法によって作製したPDチップをパッケージに実装した。そして光ファイバを取り付け図11の受光素子モジュールとした。そして受光素子の電極間に15Vの逆バイアスを加えた。0dBmの光を光ファイバから入れた時の二次歪みIMD2 を測定した。二次歪みは−85dBであった。さらに受光素子の中央部での光パワー密度を測定した。ガウシアンのように中央部に局在する光でない(図8)の密度は低くて、−12dBである。これを図5(b)のグラフに書き込むと図12のようになる。本発明の受光素子の場合、従来例で最も光量が小さいケースEよりもまだ密度が低く、IMD2
も小さい。
A PD chip manufactured by such a method was mounted on a package. Then, an optical fiber was attached to obtain the light receiving element module of FIG. A reverse bias of 15 V was applied between the electrodes of the light receiving element. Second-order distortion IMD 2 was measured when 0 dBm light was introduced from the optical fiber. The secondary distortion was -85 dB. Furthermore, the optical power density at the center of the light receiving element was measured. The density of light that is not localized in the center as in Gaussian (FIG. 8) is low and is −12 dB. When this is written in the graph of FIG. 5B, it becomes as shown in FIG. In the case of the light receiving element of the present invention, the density is still lower than in the case E where the light quantity is the smallest in the conventional example, and the IMD 2
Is also small.

[実施例4:レンズを付加する場合 ]
本発明のPDは基板側に作りつけのメサ型レンズをもつから集光性はあるのであるが、それだけでは光ファイバと受光素子チップの距離が厳密に決まってしまう。光ファイバとレンズの距離をもっと広くとりたいという要望がある場合、レンズを光ファイバと受光素子の間に挿入する。レンズによって集光できるから光ファイバをより遠くへ変位させることができる。図13はこのようなレンズを設けた受光素子モジュールの構成を示している。収差のないレンズを設ける場合は計算は単純である。θ1/2 の光が中平周凸レンズの平面曲面の境界に当たるように決めればよい。
[Example 4: When a lens is added]
The PD of the present invention has a light collecting property because it has a built-in mesa lens on the substrate side. However, the distance between the optical fiber and the light receiving element chip is strictly determined only by that. When there is a desire to increase the distance between the optical fiber and the lens, the lens is inserted between the optical fiber and the light receiving element. Since the light can be collected by the lens, the optical fiber can be displaced further. FIG. 13 shows a configuration of a light receiving element module provided with such a lens. When a lens without aberration is provided, the calculation is simple. What is necessary is just to determine so that the light of (theta) 1/2 may hit the boundary of the plane curved surface of a mid-plane circumference convex lens.

しかし球レンズのように収差の大きいレンズの場合は少し注意を要する。球レンズは遠軸光線を強く屈折し、近軸光を弱く屈折するから受光素子チップ面での光線が図10のようにならない。 However, in the case of a lens having a large aberration such as a spherical lens, a little care is required. Since the spherical lens refracts far-axis light strongly and refracts paraxial light weakly, the light beam on the light receiving element chip surface does not become as shown in FIG.

[実施例5:レンズ境界をθ1/2 からはずす場合]
これまでに述べた実施例では、中平周凸レンズの平面曲面の境界をθ1/2 に合致させていたがそれに限らない。図7のように光パワー分布が矩形分布するようにさせれば良いのであるから、ビームがガウシアンであっても境界とθ1/2
を一致させなくても矩形分布を得ることができる場合もある。ビームがガウシアンでないと言うこともよくあるが、その場合はビームの光パワーの分布によって光の広がりとレンズの境界の対応を最適化すればよい。例えば、中心でも光強度が大きくしかも周辺部まで光パワーがすそを引くような光源の場合は、レンズの平坦部を狭くし、球面部を広くするのがよい。
[Example 5: When the lens boundary is removed from θ 1/2 ]
In the embodiments described so far, the boundary of the plane curved surface of the middle plano-convex lens is matched with θ 1/2 , but this is not restrictive. Since the optical power distribution may be rectangular as shown in FIG. 7, even if the beam is Gaussian, the boundary and θ 1/2
In some cases, a rectangular distribution can be obtained without matching. It is often said that the beam is not Gaussian. In this case, the correspondence between the light spread and the lens boundary may be optimized by the distribution of the optical power of the beam. For example, in the case of a light source in which the light intensity is high at the center and the light power is drawn to the periphery, the flat part of the lens should be narrowed and the spherical part should be widened.

[実施例6:後付けレンズ]
以上に述べた実施例においてはレンズは作りつけになっていた。これだと材質は基板と同じものになる。図14のように独立の中平周凸レンズを別の材料によって作製して、これをチップの基板裏面にはりつけるようにしても良い。そのようにすると材料の制限から免れる。材料を選ぶことができれば屈折率もある程度自由に選ぶことができるので直径、曲率、境界線などの設計の自由度が広がる。例えばガラス、Siなどをレンズの材料として用いることができる。レンズは透明の樹脂によって基板裏面に張り付ける。
[Example 6: Retrofit lens]
In the embodiment described above, the lens is built-in. This makes the material the same as the substrate. As shown in FIG. 14, an independent midplane convex lens may be made of another material and may be attached to the back surface of the chip substrate. Doing so frees you from material limitations. If the material can be selected, the refractive index can be freely selected to some extent, so that the degree of freedom in designing the diameter, curvature, boundary line, etc. is expanded. For example, glass, Si, or the like can be used as a lens material. The lens is attached to the back of the substrate with a transparent resin.

従来例にかかるPINフォトダイオードチップの断面図。Sectional drawing of the PIN photodiode chip concerning a prior art example.

従来例にかかる受光素子モジュールの斜視図。The perspective view of the light receiving element module concerning a prior art example.

従来例にかかる作りつけレンズを有する受光素子チップに光ファイバからの光が入射する際の光線の屈折を示す説明図。Explanatory drawing which shows refraction of the light ray in case the light from an optical fiber injects into the light receiving element chip | tip which has a built-in lens concerning a prior art example.

現在得られるレ−ザの典型的な例として、ガウシアンビームを発生するレ−ザの発生するビームの角度分布を示すグラフ。The graph which shows the angular distribution of the beam which the laser which produces | generates a Gaussian beam as a typical example of the laser currently obtained.

レ−ザの光軸上の5点A、B、C、D、Eにおける軸垂直方向の光強度分布とその点に受光素子を設定した時の二次歪みIMD2 を示すグラフ。(a)は5点での軸垂直方向の光強度分布を示し、(b)はその5点におけるIMD2を示す。A graph showing light intensity distribution in the direction perpendicular to an axis at five points A, B, C, D, and E on the optical axis of the laser and second-order distortion IMD 2 when a light receiving element is set at that point. (A) shows the light intensity distribution in the direction perpendicular to the axis at five points, and (b) shows IMD 2 at the five points.

本発明の受光素子に光ファイバからの光が入射するときの光線の屈折を示す光線説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram of light rays showing refraction of light rays when light from an optical fiber enters the light receiving element of the present invention.

中平周凸レンズをもつ本発明の受光素子に、光ファイバからの光を入射させるときに受光層においてどのような光密度分布になるかを示すグラフ。ガウシアンビームが矩形分布のビームに整形される。The graph which shows what kind of light density distribution will be in a light reception layer when the light from an optical fiber injects into the light receiving element of this invention which has a mid-plane circumference convex lens. The Gaussian beam is shaped into a rectangular distribution.

本発明の実施例にかかる基板面入射型で基板側に中平周凸レンズを有する受光素子チップの断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of a light-receiving element chip that is a substrate surface incident type according to an embodiment of the present invention and has a middle planer convex lens on the substrate side.

本発明の受光素子において基板裏面側に中平周凸レンズを作製する手法を説明する図。(a)は基板面側にレジストを球の一部をなすような厚み分布をもって塗布しイオンビ−ムを照射してエッチングしている状態を示す。(b)はイオンビ−ムエッチングを途中で中止するとレジストの一部が中央部に残りその周辺部は球面上にエッチングされた状態になることを示す図。The figure explaining the method of producing a mid-plane circumference convex lens in the back surface side of a board | substrate in the light receiving element of this invention. (A) shows a state in which a resist is applied to the substrate surface side with a thickness distribution that forms a part of a sphere and is etched by irradiation with an ion beam. (B) is a diagram showing that when ion beam etching is stopped halfway, a part of the resist remains in the central portion and the peripheral portion thereof is etched on the spherical surface.

80μmの直径の受光層をもつ本発明の実施例にかかる受光素子の光線の屈折を示す断面図。Sectional drawing which shows refraction of the light ray of the light receiving element concerning the Example of this invention which has a light receiving layer of a diameter of 80 micrometers.

本発明の実施例にかかる受光素子モジュールの断面図。Sectional drawing of the light receiving element module concerning the Example of this invention.

受光層の中心における光密度と二次歪みIMD2 の相関を示すグラフに従来例の結果に並べて本発明の実施例の結果を記入したグラフ。Graph fill the results of embodiments of the present invention are arranged in a conventional example of the results on a graph showing the correlation of optical density and second-order distortion IMD 2 of the center of the light receiving layer.

本発明の実施例にかかる作りつけ中平周凸レンズを有する受光素子と光ファイバの間に別体のレンズを追加して光ファイバと受光素子の間の距離を調整可能にした例を示す受光素子モジュールの構成図。A light receiving element showing an example in which a separate lens is added between an optical fiber and a light receiving element having a built-in plano-convex lens according to an embodiment of the present invention so that the distance between the optical fiber and the light receiving element can be adjusted. The block diagram of a module.

本発明の別の実施例にかかる後付け中平周凸レンズを設けた受光素子チップの側面図。The side view of the light receiving element chip | tip which provided the retrofitted intermediate | middle plano-convex lens concerning another Example of this invention.

本発明の中平周凸レンズの作用を説明するための幾何学的な光線図。The geometrical ray diagram for demonstrating the effect | action of the mid-plane circumference convex lens of this invention.

中平周凸レンズによって矯正されるビ−ムの前後の強度分布を示す図。The figure which shows intensity distribution before and behind the beam correct | amended by a middle plani convex lens.

符号の説明Explanation of symbols

1 受光素子チップ
2 n型InP基板
3 n型InPバッファ層
4 n型InGaAs光吸収層
5 n型InP窓層
6 p型領域
7 pn接合
8 パッシベ−ション膜
9 反射防止膜
10 p電極
11 n電極
12 パッケージ
13 サブマウント
14 シングルモードファイバ
15 アノードピン
16 カソードピン
17 ケースピン
18 スリーブ
19 フェルールホルダー
20 フェルール
21 ベンドリミッタ
22 球レンズ付キャップ
23 球レンズ
30 漏れ光吸収用p型層
31 p側電極
32 n側電極
33 中平周凸レンズ
34 中央平坦部
35 周辺球面部
36 入射光
38 レンズ形成用レジスト
39 イオンビーム
40 レジストによって被覆された基板部分
41 レジストによって被覆されない基板部分
42 レジストの周辺境界部
50 PDチップ
51 サブマウント
52 ステム
53 リードピン
54 リードピン
55 リードピン
56 キャップ
57 ガラス窓
58 フェルールホルダー
59 フェルール
60 シングルモードファイバ

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light receiving element chip 2 n-type InP substrate 3 n-type InP buffer layer 4 n-type InGaAs light absorption layer 5 n-type InP window layer 6 p-type region 7 pn junction 8 passivation film 9 antireflection film 10 p electrode 11 n electrode 12 Package 13 Submount 14 Single mode fiber 15 Anode pin 16 Cathode pin 17 Case pin 18 Sleeve 19 Ferrule holder 20 Ferrule 21 Bend limiter 22 Cap with ball lens 23 Ball lens 30 P-type layer 31 for leaking light absorption p side electrode 32 n Side electrode 33 Middle flat convex lens 34 Central flat portion 35 Peripheral spherical portion 36 Incident light 38 Lens forming resist 39 Ion beam 40 Substrate portion covered with resist 41 Substrate portion not covered with resist 42 Peripheral boundary portion 50 PD chip 51 Submount G 52 Stem 53 Lead pin 54 Lead pin 55 Lead pin 56 Cap 57 Glass window 58 Ferrule holder 59 Ferrule 60 Single mode fiber

Claims (7)

アナログ光信号を受信する半導体受光素子モジュールであって、光ファイバとパッケージと前記パッケージに収納され前記光ファイバから出射された信号光を受信する裏面入射型のフォトダイオードチップとよりなり、前記フォトダイオードチップは、半導体基板の第1の面に一定の受光径の受光部を有し、第2の面の前記受光部に相対する位置に一体化して設けられた先端中央部分は平坦部で周辺部はレンズ効果を持つ内平周凸レンズを有し、前記信号光のうち前記内平周凸レンズの平坦部の最外周を通って入射した光線は略直進して受光部の外周部付近に入射し、前記信号光のうち内平周凸レンズの集光作用を有する周辺部を通って入射した光線は集光作用により同じく受光部の外周付近に入射することを特徴とする半導体受光素子モジュール。 A semiconductor light receiving element module for receiving an analog optical signal, comprising: an optical fiber; a package; and a back-illuminated photodiode chip for receiving signal light housed in the package and emitted from the optical fiber. The chip has a light receiving portion having a constant light receiving diameter on the first surface of the semiconductor substrate, and a central portion of the tip provided integrally at a position opposite to the light receiving portion on the second surface is a flat portion and a peripheral portion. Has an inner planoconvex lens having a lens effect, and the light beam incident through the outermost periphery of the flat part of the inner planoconvex lens out of the signal light travels substantially straight and enters the vicinity of the outer periphery of the light receiving unit, Among the signal lights, a light ray incident through a peripheral portion having a condensing function of an inner planer convex lens is incident near the outer periphery of the light receiving portion by the condensing function. Lumpur. アナログ光信号を受信する半導体受光素子モジュールであって、光ファイバとパッケージと前記パッケージに収納され前記光ファイバから出射された信号光を受信する裏面入射型のフォトダイオードチップとよりなり、前記フォトダイオードチップは、半導体基板の第1の面に一定の受光径の受光部を有し、第2の面の前記受光部に相対する位置に一体化して設けられた先端中央部分は平坦部で周辺部はレンズ効果を持つ内平周凸レンズを有し、前記信号光がガウシアンビームであり、前記ガウシアンビームの強度が1/2になる角度以内にある光が内平周レンズの平坦部を通り略直進して受光部に入射し、前記ガウシアンビームの強度が1/2になる角度より外側にある光が内平周凸レンズの集光効果を有する周辺部を通り集光作用により受光部に入ることを特徴とする半導体受光素子モジュール。 A semiconductor light receiving element module for receiving an analog optical signal, comprising: an optical fiber; a package; and a back-illuminated photodiode chip for receiving signal light housed in the package and emitted from the optical fiber. The chip has a light receiving portion having a constant light receiving diameter on the first surface of the semiconductor substrate, and a central portion of the tip provided integrally at a position opposite to the light receiving portion on the second surface is a flat portion and a peripheral portion. Has an inner plano-convex lens having a lens effect, the signal light is a Gaussian beam, and light within an angle where the intensity of the Gaussian beam is halved passes straight through the flat part of the inner planer lens. Then, the light incident on the light receiving portion and the light outside the angle at which the intensity of the Gaussian beam becomes ½ passes through the peripheral portion having the light collecting effect of the inner planoconvex lens and is condensed. Semiconductor light-receiving element module, characterized in that entering the optical unit. 内平周凸レンズの中心が光ファイバ光軸の延長線上にあり、前記半導体基板の屈折率n2、フォトダイオードチップの受光径半径r、内平周凸レンズの平坦部直径d=2r、レンズ開口部D=4r、レンズ半径4r,光ファイバの光量が0になる角度が開口角θ=θmax、光のパワーが中心の半分に減り、前記開口角の丁度半分の角度をもつ広がり角をθ1/2とするとき、
受光部は基板裏面から
W=((D−d)/2)×tan(60゜+(sin−1(sinθmax+30゜)/n)))
の位置に配置し、光ファイバ端面をレンズ平坦面から(d/2)tanθ1/2に配置したことを特徴とする請求項1または2に記載の半導体受光素子モジュール。
The center of the inner planoconvex lens is on the extension of the optical axis of the optical fiber, the refractive index n2 of the semiconductor substrate, the light receiving radius r of the photodiode chip, the flat part diameter d = 2r of the inner planoconvex lens, and the lens opening D = 4r, lens radius 4r, the angle at which the light amount of the optical fiber is 0 is the aperture angle θ = θ max , the light power is reduced to half of the center, and the divergence angle having exactly half the aperture angle is θ 1 / 2
The light receiving portion is W = ((D−d) / 2) × tan (60 ° + (sin −1 (sin θ max + 30 °) / n 2 ))) from the back surface of the substrate.
The semiconductor light receiving element module according to claim 1, wherein the end face of the optical fiber is arranged at (d / 2) tan θ 1/2 from the flat surface of the lens.
前記フォトダイオードチップの受光層がInGaAsよりなることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の半導体受光素子モジュール。 4. The semiconductor light receiving element module according to claim 1, wherein the light receiving layer of the photodiode chip is made of InGaAs. 前記フォトダイオードチップが、InP基板、InPバッファ層、InAlAs受光層、InP窓層をこの順に含むことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の半導体受光素子モジュール。 4. The semiconductor light-receiving element module according to claim 1, wherein the photodiode chip includes an InP substrate, an InP buffer layer, an InAlAs light-receiving layer, and an InP window layer in this order. 前記フォトダイオードチップの受光部の受光径が略50μmで、InP基板裏面より約67μmの深さにあり、基板裏面に設けた内平周凸レンズの先端の平坦部の外形が略50μmであり、内平周凸レンズの集光作用のある外周部の外径が略100μmであり、その彎曲部の曲率半径が略100μmであり、光ファイバが波長1.3μm光用のシングルモードファイバでフォトダイオードチップとの距離が500μmである、ことを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の半導体受光素子モジュール。 The light receiving diameter of the light receiving portion of the photodiode chip is approximately 50 μm, is approximately 67 μm deep from the back surface of the InP substrate, and the outer shape of the flat portion at the tip of the inner flat circumferential convex lens provided on the back surface of the substrate is approximately 50 μm. The outer diameter of the outer peripheral portion having a condensing function of the plano-convex lens is about 100 μm, the curvature radius of the bent portion is about 100 μm, and the optical fiber is a single mode fiber for wavelength 1.3 μm light and a photodiode chip. The semiconductor light receiving element module according to claim 1, wherein the distance is 500 μm. 前記フォトダイオードチップの受光部の受光径が略80μmで、InP基板裏面より約108μmの深さにあり、基板裏面に設けた内平周凸レンズの先端の平坦部の外形が略80μmであり、内平周凸レンズの集光作用のある外周部の外径が略160μmであり、その彎曲部の曲率半径が略160μmであり、光ファイバが波長1.3μm光用のシングルモードファイバでフォトダイオードチップとの距離が800μmである、ことを特徴とする請求項1〜5の何れかに記載の半導体受光素子モジュール。



The light receiving diameter of the light receiving portion of the photodiode chip is approximately 80 μm, is approximately 108 μm deep from the back surface of the InP substrate, and the outer shape of the flat portion at the tip of the inner circumferential convex lens provided on the back surface of the substrate is approximately 80 μm. The outer diameter of the outer peripheral portion having a condensing function of the plano-convex lens is about 160 μm, the curvature radius of the bent portion is about 160 μm, and the optical fiber is a single mode fiber for wavelength 1.3 μm light and a photodiode chip. The semiconductor light-receiving element module according to claim 1, wherein the distance is 800 μm.



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