JPH01130112A - 光ファイバと受光素子の光学的結合構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 概　　　要 受光素子モジュールにお番プる光ファイバと受光素子の
光学的結合構造に関し、 広帯域性及び低雑音性の確保、小型化並びに製造作業の
容易化を目的とし、 電子回路が形成された基板にｖ字溝を形成し、該７字溝
の壁面に前記電子回路と電気的に接続される受光素子を
設け、端面を光軸に対して斜めに形成された光ファイバ
を前記ｖ字溝の両壁面に密着させて、該光ファイバの伝
搬光が前記端面で反射して前記受光素子に入射するよう
にして構成する。

Ｌ工」１ソリ１次盟 本発明は、受光素子モジュールにおける光ファイバと受
光素子の光学的結合構造に関する。

近年、光通信の分野においては、’ｌ　Ｇｂ／８以上の
伝送速度を有する高速システムの捕発が盛んに行なわれ
ており、これに伴い個々のシステム構成要素における高
速化の要求が高まっている。具体的には、光伝送路とし
ては、本質的に広帯域なシングルモード光ファイバが用
いられ、受光素子としては、受光径が小さく素子容量の
小さなものが用いられている。このように、より微細化
する方向にある光ファイバと受光素子を光学的に結合す
るに際して要求されることは、充分な結合効率の確保を
前提とするならば、 （イ）広帯域・低雑音性の確保が可能であること、（ロ
）小型化に適していること、 （ハ）ｌ！Ｊ造作業が容易であること、等であり、これ
らの要求を同時に満足することのできる光ファイバと受
光素子の光学的結合構造が要望されている。

従来の技術 第７図は、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）及
びＰＩＮフォトダイオード等の受光素子の一般的な断面
構成を示す図であり、半導体チップ６１に受光領域６２
を形成し電気゛信号を取出すためのリング電極６３及び
背面電極６４を設けた構造となっている。

このような受光素子を実用に供する場合には、取扱いを
容易ならしめるために、第８図に示されるようなパッケ
ージ入り受光素子部品として用いられるのが通例である
。基板７３上に載置台７２を介して固定保持される受光
素子７１は、その電極部分が電極端子７４．７５に電気
的に接続され、これら本体部分は、受光窓７６を有する
ケース７７によって被覆されている。

一方、上記受光素子（部品）を光通信システムにおける
例えば光受信機に適用するｉ合、受光素子の微弱な出力
電気信号を適当なレベルまで増幅する必要があるため、
通常、第９図に示すように、受光素子部品８１の直後段
にプリアンプ８２を設けた構成としている。このような
光受信機の形態であると、受光素子と電子回路との距離
が物理的に離れるだけでなく、パッケージに起因する寄
生容量等の存在によって、高速応答特性や雑音特性が悪
化すると共に、受光素子と電子回路とを別のパッケージ
に入れる必要があるから製造コストが上昇するという不
都合があった。このような点に鑑み、近年の高速システ
ムにおいては、受光素子及び電子回路を一体的にパッケ
ージ化して光フフイバと光学的に結合するようにした構
造が提案され、一部実用化されている。

第１０図はこの種の従来の光学的結合構造を示す図であ
る。９１は基板９２上に形成された受光素子であり、光
ファイバ９３はそ、の端面が受光素子９１に対向するよ
うに基板９２に対して垂直に配置されている。光ファイ
バ９３により伝送された光信号は、受光素子９１によっ
て電気信号に変換され、この電気信号はボンディングワ
イヤ９４を介してプリアンプ等の電子回路９５に導かれ
る。

電子回路９５において増幅等の処理をなされた信号は、
更にボンディングワイヤ９６を介してストリップライン
９７に導かれ後段の信号処理回路に送られる。上記光学
的結合構造にあっては、光信号の入射方向と変換された
電気信号の取出し方向とが垂直に設定されているから、
装置が大型化しく０）の要求を満足することができない
という問題があった。

この問題を解決することができるものとして、第１１図
に示すような光学的結合構造が提案され得る。基板１０
１の上面には電子回路１０２が形成され、基板１０１の
側面には受光素子１０３が形成され、光ファイバ１０４
は、その端面が受光素子１０３に対向するように基板１
０１と平行に配置されている。受光素子１０３の出力電
気信号は、ボンディングワイヤ１０５、基板１０１の縁
部に設けられる凹曲したストリップライン１０６及びボ
ンディングワイヤ１０７をこの順で介して電子回路１０
２に導かれる。このような光学的結合構造にあっては、
装置の大型化を解消することができるものの、微小電力
で且つ高周波数の光−電気変換信号が伝送されるべきボ
ンディングワイヤ１０５．１０７及びストリップライン
１０６のインダクタンス及びキャパシタンスに起因して
広帯域・低雑音性を確保す菖ことが困難であり、（イ）
の要求を満足することができないという問題があった。

第１２図はこれらの問題を解消するためになされた改良
された光学的結合構造を示す図である。

同図において第１２図と同一の符号は同一の部材を示す
ものとする。この従来例では、光ファイバ１１１の端面
１１１ａを光軸に対して斜めに研磨して、信号光を該端
面１１１ａで全反射させて光ファイバ１１１の側面を介
して受光素子９１に入射させるようにしている。この光
学的結合構造にあっては、入射光の方向と電気信号の取
出し方向とが平行に設定されているから小型化が可能と
なり、且つ、受光素子９１を電子回路９２に近接させる
ことができるから広帯域・低雑音性の確保が可能となる
。しかし、第１２図に示される構造であると、高い結合
効率を確保するためには、光ファイバと受光素子の相対
的位置関係についての高精度な調整を必要とし製造作業
が容易でなくなり、（ハ）の要求を満足することができ
ないという問題があった。

発明が解決しようとする問題点 このように、従来の光ファイバと受光素子の光学的結合
構造であると、（イ）〜（ハ）の要求を同時に満足する
ことができないという問題があった。

本発明はこのような問題に鑑みて創作されたもので、（
イ）〜（ハ）の要求を同時に満足すること、即ち、広帯
域性及び低雑音性の確保、小型化並びにｌ！Ｊ造作業の
容易化が可能な光ファイバと受光素子の結合構造の提供
を目的としている。

問題点を解決するための手段 本発明の光ファイバと受光素子の光学的結合構造は、そ
の原理図が第１図に示されるように、電子回路１が形成
された基板２にＶ字溝３を形成し、該７字溝３の壁面に
前記電子回路１と電気的に接続される受光素子４を設け
、端面を光軸に対して斜めに形成された光ファイバを前
記７字溝の両壁面に！−ｔ？させて、該光ファイバの伝
搬光が前、記端面で反射して前記受光素子に入射するよ
うにして構成される。

作　　　用 一般に光ファイバの外周面は円筒面であるから、基板に
形成されたｖ字溝の壁面に光ファイバを密着固定するこ
とによって、光ファイバの光軸（幾何学的には光ファイ
バのコアの中心線）を基板に対して所定の位置関係で位
置させることができる。

従って、光ファイバ端面を介して出射された光ファイバ
の伝搬光が高効率で受光素子に入射される最適条件を設
定するに際しては、光ファイバを７字溝に沿って摺動さ
せると共に密着状態で回動させるだけで良いから、煩雑
な作業が不要となり、（ハ）の要求を充足することがで
きる。

また受光素子の設けられた７字溝の壁面は基板平面に対
して斜めであるから、電子回路を基板平面上に形成した
場合には、電子回路と受光素子の電気的な接続部分にお
ける奇生りアクタンスが、電子回路と受光素子が概略垂
直である場合と比較して減少する。その結果、広帯域・
低雑音性の確保が可能となり、（イ）の要求を充足する
ことできる。

さらに、本考案の構造によれば、電子回路と受光素子は
同一の基板上に設けられており、且つ、光ファイバの配
設方向と電気信号の取出し方向とを平行にすることがで
きるから、装置の小型化が達成され、その結ＩＡ（ロ）
の要求を充足することができる。

実　　施　　例 以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第２図は基板への７字溝の形成方法を説明するための図
である。まず３ｉ等の半導体材料からなる基板１１の７
字溝を形成すべき部分を除いてレジスト膜１２を塗布し
くａ）、次に、この基板１１をエツチング液中で異方的
な化学エツチングを行なうことによってＶ字溝１３を形
成する（ｂ）。

このときのエツチング液としては、以下に示す組成のも
のを用いることができる。

ＮＨ２（ＣＨ）２　°”Ｈ２：４６．４モル％（エチレ
ンジアミン） Ｃｅ　Ｈ，ａ　　（ＯＨ）２　　　　　：　４モル％（
ピロカテコール） 水　　　　　　　　　　　　：４９．４モル％上記エツ
チング液を用いてその沸点１１８℃±１℃でエツチング
を行うと、３ｉの（１１１）面のエツチング速度は（１
００）面のエツチング速度と比べて十分小さい（例えば
５０分の１）から、レジスト膜１２の形成面を（１００
）面に設定し゛　　　ておくことにより、（１１１）面
を有するＶ字溝１３が形成されるものである。１３ａ、
１３ｂはＶ字溝１３の壁面であり、これらのなす角度は
、本実施例では３ｉの結晶構造（ダイヤモンド構造）及
び異方性エツチングの原、理から７０．５度となってい
る。

第３図は、レジスト膜の除去された基板上に電子回路及
び受光素子を形成したときの斜視図である。２１は基板
１１の上面に形成された電子回路部分、２３はＶ字溝の
一方の壁面１３ａに形成された受光素子部分であり、そ
れぞれイオン注入法等の通常の回路素子形成技術によっ
て直接的に基板１１上に形成されている。２４．２５は
電子回路部分２１と受光素子部分２３とを電気的に接続
するた゛めの装架電極であり、２６．２７は電子回路部
分２１の出力電極である。２２は受光素子部分２３の受
光面である。

ｍ４ｔｇ（ａ）、（ｂ）は、Ｖ字溝１３に装着すべき光
ファイバのそれぞれ平面図及び側面図であり、この光フ
ァイバ３１は、光軸ＯＡに対して所定の角度γで斜めに
形成された端面３１ａを有している。前記γは、光ファ
イバ３１の伝搬光が端面３１ａで全反射して光ファイバ
の側面３１ｂから出射されるような角度に設定される。

場合によってはγを規定せずに、端面３１ａに金属膜及
び誘電体多層膜等の反射膜を形成するようにしても良い
。

Ｖ字溝１３内における光ファイバ３１の位置調整を行な
う場合には、光ファイバがｖ字溝の両壁面１３ａ、１３
ｂに密着した状態で、光ファイバ３１をＶ字溝形成方向
に摺動させるかあるいは光軸ＯＡの回りに回動させるか
して、最大の光−電気変換効率を得ることのできる位置
に調ｉすれば良い。このとき、基板の結晶方位及びエツ
チング条件によって決定されるＶ字溝の寸法精度は極め
て高いから、受光面２２の面積が微小である場合にも充
分な結合効率を得ることができるものである。

上記構造によれば、光ファイバ３１はＶ字溝１３によっ
てほぼ全体的に保持されるから、光ファイバが全体的に
保持されない例えば第１２図の従来例と比較して、機械
的撮動等に対する動作安定性が向上する。また、電子回
路゛部分２１と受光素子部分２３とは垂直でないから、
第１１図に示される従来構成のように電気的接続部分に
おけるインピーダンスが壜入することがなく、広格域性
及び低雑音性の確保が可能となる。さらに、電子回路部
分２１と受光素子部分２３とを同一基板上で一体化する
と共に、光ファイバ３１を電子回路部分２１と平行に設
けているから、光信号と電気信号のインターフェイスが
垂直方向に行なわれる第１０図の従来構造と比較して、
装置の小型化が可能となる。

第５図及び第６図は本発明の他の実施例を示しており、
基板と別体の受光素子チップをＶ字溝の壁面に設けたも
のである。第５図は受光素子チップを取付ける前の基板
の斜視図、第６図は受光素子チップを取付けた後の基板
等の断面図（第５図におけるＶｌ　−Ｖｌ線に沿った断
面に相当する）である。基板４′１には、第３図に示さ
れる実施例と同様にレジスト膜形成及びウェットエツチ
ングによって一方の壁面４２ａに窪み部４２ｂを有する
■字溝４２が形成されている。４３は基板４１の上面に
形成された電子回路部分、４４．４５はその出力端子で
ある。４６．４７は基板４１の上面からＶ字溝の窪み部
４２ｂ内にまで延設される導電パターンであり、電子回
路部分４３と受光素子チップ５１とを電気的に接続する
ものである。

受光素子チップ５１は、当該光波長についての透過性が
良好な半導体チップ５２の裏面側に受光領域５３を形成
してなり、フリップチップ５４を介して導電パターン４
６．４７に電気的及び機械的に接続されている。フリッ
プチップ５′４は、例えばＡＵ−Ｇｅ系の低融点合金を
受光素子チップ５１の所定位置に点着することによって
形成する　　　　゛ことができる。この構造によれば、
受光素子チップ５１を所定位置に押圧すると共に、当該
押圧部分に適当な熱量を与えることによって受光素子チ
ップ５１の装着が完了するから、同時に多数の電極間を
接続することが可能となり、製造時間が短縮される。ま
た、Ｖ字溝の窪み部４２ｃをある程度深く形成しておく
ことにより、受光素子チップ５１を窪み部４２Ｃ内に埋
没させることができるから、光ファイバの光軸調整の際
に光ファイバが受光素子チップ５１の受光面に接触して
受光面をＩＡ傷するおそれがなくなる。

以上の実施例で使用したＶ字溝の形成方法は、３ｉ材料
からなる基板だけなく、他の半導体材料からなる基板に
ついても適用することができる。

また、Ｖ字溝を形成するのは実施例に示される半導体基
板に限定されずに、絶縁体等の他の材質からなる基板で
あっても良い。この場合、切削加工等によりＶ字溝を形
成することができる。なお、受光素子と電子回路の電気
的な接続は、導電パターン（装架電極）によらずに通常
のボンディングワイヤにより行なっても良い。

発明の効果　４ 以上詳述したように、本発明の光ファイバと受光素子の
光学的結合構造によれば、広帯域性及び低雑音性の確保
、小型化並びに製造作業の容易化が可能になるという効
果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理図、 第２図は本発明の実施例を示す基板へのＶ字溝の形成方
法説明図、 第３図は本発明の実施例を示す基板の斜視図、第４図は
本発明の実施例を示す光ファイバの平面図及び側面図、 第５図は本発明の他の実施例を示す基板の斜視図、 第６図は本発明の他の実施例を示す基板等の断面図、 第７図は一般的な受光素子の断面図、 第８図は一般的な受光素子部品の断面図、第９図は一般
的な受光素子部品の使用例を説明するための図、 第１０図は光ファイバと受光素子の光学的結合構造の従
来例図、 第１１図は同光学的結合構造の他の従来例図、第１２図
は同光学的結合構造の改良された従来例図である。 １・・・電子回路、　　　　２，１１．４１・・・基板
、３．１３．４２・・・Ｖ字溝、　４・・・受光素子、
５．３１・・・光ファイバ、 ２１．４３・・・電子回路部分、 ２３・・・受光素子部分、　５１・・・受光素子チップ
。 ７＼ １３、■了犀 棲−太増已　イ列　　図 第２図 １３ａ　　　　１３：　Ｖ　Ｐ辱 ９ど　　オ陶ム　イ列　図 第３図 う【、　ラｎ−イ列　　ｒｑ 第４図 ４３、電−）回誇飾伊 享ど　プ３匣、イゲリ　図 第５図 ２ｃ づ（プ〉已　イ列　匹１ 第６図 ＣＩ’＊号 一般的な受尤衆テ 第７　Ｂ１ 一４ｙ台りな愛七木千飾昆 第８図 一府ｙ台勺４１受七漠（′８−華渾ｋ　　のイ更用イ１
１」第９図 梃　泉　イ列　図 第１０図 イ謬ニ　０　イ疋来イ列　ａ 第１１図 改良１叡をイ廻采−ｆ列図 第１２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 　電子回路（１）が形成された基板（２）にＶ字溝（３
   ）を形成し、 該Ｖ字溝（３）の壁面に前記電子回路（１）と電気的に
   接続される受光素子（４）を設け、 端面を光軸に対して斜めに形成された光ファイバ（５）
   を前記Ｖ字溝（３）の両壁面に密着させて、該光ファイ
   バ（５）の伝搬光が前記端面で反射して前記受光素子（
   ４）に入射するようにしたことを特徴とする光ファイバ
   と受光素子の光学的結合構造。