JP2002198544A - 光検出器およびそれを用いた光分波器 - Google Patents

光検出器およびそれを用いた光分波器

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JP2002198544A JP2000394406A JP2000394406A JP2002198544A JP 2002198544 A JP2002198544 A JP 2002198544A JP 2000394406 A JP2000394406 A JP 2000394406A JP 2000394406 A JP2000394406 A JP 2000394406A JP 2002198544 A JP2002198544 A JP 2002198544A
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Kenichi Nakama
健一 仲間
Hisao Nagata
久雄 永田
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Nippon Sheet Glass Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】光検出器１は、有限の大きさを有するパッケー
ジ１３の内部に受光素子アレイ１１を実装している。こ
のため、理想的なリトロー配置になるように光ファイバ
と受光素子アレイ１１を配置しようとしてもパッケージ
１３が邪魔になり、光ファイバと光検出器１を一定距離
以上近接して配置することができない。 【解決手段】本発明の光検出器１は、受光素子アレイ１
１と、その受光素子アレイ１１を実装したパッケージ１
３と、受光素子の受光面に被検出光を入射させる透光窓
１２とを有し、パッケージ１３の受光素子に隣接する位
置に、被検出光に略平行な光線の透過を可能にする開口
１４を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、主に波長多重光通
信に用いる光検出器およびそれを用いた光分波器に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】光分波素子として用いられる回折格子に
は、表面凹凸構造をもつ平板または凹面回折格子、アレ
イ光導波路を用いた導波路型の回折格子、ファイバ自体
に屈折率の周期構造を設けたブラッグ回折格子などがあ
る。特に反射型の平板回折格子や凹面回折格子を用い、
空間光学系で構成する光分波器は、光スペクトラムアナ
ライザーや、モノクロメータなど、広範囲に使用されて
いる。
【０００３】光通信の分野では、狭帯域波長多重（ＤＷ
ＤＭ）通信において、光ファイバ線路を伝搬する波長多
重化された光信号を分波するために光分波素子が必要と
され、回折格子が広く用いられている。光ファイバを伝
搬する波長多重化された光信号を、回折格子で分波し、
各波長（チャンネル）の光を各々対応する受光素子に入
射させ、各チャンネルの光量をモニタする光分波器が提
案されている（例えば、再公表特許ＷＯ９９／４８８２
９号）。このような分波したそれぞれの波長の光量をモ
ニタする目的で使用される光分波器では、受光素子アレ
イによる光検出が行われる。
【０００４】このような光分波器の構成の一例を図８に
示す。図の光分波器は、光ファイバ４、コリメータレン
ズ２、平面型回折格子３、受光素子アレイ１１からな
る。受光素子アレイ１１はそれぞれ独立した光電変換を
行う複数の受光素子１０を配列したもので、通常は共通
の半導体基板上に形成され、１個の半導体チップからな
っている。このチップは、長期的な信頼性の維持および
取り扱いの観点から、ＣＡＮパッケージやＤＩＰパッケ
ージなどに実装して使用するのが一般的である。
【０００５】ここでは、上記受光素子１０あるいはその
アレイ１１とそれを実装したパッケージ１３とを含めた
総体を光検出器１と呼ぶこととする。光検出器１は、受
光素子アレイ１１の受光面と対向する面に各受光素子１
０に入射する光を通過させるための手段として透光窓１
２を有している。なお、光検出器１は、光電変換した電
気信号を外部へ取り出す電気配線手段をも有する必要が
ある。この電気配線手段としては、通常パッケージに埋
め込まれたリードフレームやピン（端子）、またこれら
と各受光素子を接続するボンディングワイヤ等がある
が、図８ではこれらは省略されている。
【０００６】光ファイバ４からの入射光５１は、光ファ
イバの開口数に従って発散し、コリメータレンズ２で平
行光５２に変換されて、平面型回折格子３に入射する。
平面型回折格子３で波長に応じてチャンネルごとに分波
された回折光５３は、再度コリメータレンズ２を通過
し、収束光５４に変換されて受光素子１０の受光面上に
集光され、光電変換される。
【０００７】この構成の光分波器では、コリメータレン
ズ２が光ファイバ４からの発散光５１を平行にする役割
と、回折格子３からの回折光５３を受光素子１０の受光
面上に集光する役割とを兼ねることができるため、部品
点数が少ないのが特徴である。また、回折効率が高く、
温度に対する安定性が良好で、かつ低コストな光学系を
構成するため、光ファイバ４と光検出器１をなるべく近
接させ、回折格子３への入射角度と回折光からの出射角
度がほぼ等しい、いわゆるリトロー配置に近い配置が特
徴である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
技術は、光学特性に重大な影響を及ぼす問題点を有して
いる。すなわち、光検出器１は、有限の大きさを有する
パッケージ１３の内部に受光素子アレイ１１を実装して
いる。このため、理想的なリトロー配置になるように光
ファイバ４と受光素子アレイ１１を配置しようとしても
パッケージ１３が邪魔になり、光ファイバ４と光検出器
１を一定距離以上近接して配置することができない。
【０００９】このような場合、つぎのような光学特性上
の問題が生じる。コリメータレンズ２から、回折格子３
に向かう光線、および回折格子３で回折し、光検出器１
に向かう光線は、コリメータレンズ２を中心としてみる
と、軸外光線となり、コリメータレンズ２の軸外収差、
すなわち、コマ収差や非点隔差などの影響を受ける。こ
れにより、受光素子１０上に集光するスポット形状が大
きくなったり、変形したりして、受光素子１０の受光面
への集光効率を低下する場合がある。また、受光素子ア
レイにおいては、各受光素子（チャンネル）間のクロス
トークを悪化させるような問題も生じる。
【００１０】これらの問題点を解決するため、パッケー
ジ１３を除去し、受光素子アレイ１１を半導体チップの
ままで扱おうとすると、信頼性上の問題が発生し、長期
にわたって安定した動作を保証することができない。ま
た半導体チップが露出した状態では、光分波器を組み立
てる際の取り扱いの困難さが増大する。一方、パッケー
ジ１３をできるだけ小型化する対策も考えられるが、前
述の信頼性の観点から封止構造を採らざるを得ず、その
ために小型化には限界がある。
【００１１】本発明は、このような従来技術に存在する
問題に着目してなされたものである。その目的とすると
ころは、主に波長多重光通信に用いる光検出器および光
分波器において、光ファイバと光検出器内に実装される
受光素子アレイの位置関係を、光検出器パッケージの形
状の制限から解放し、光学系の設計に従った位置に配置
することを可能にし、理想的な光学性能を実現すること
にある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明の光検出器は、受
光素子と、その受光素子を実装したパッケージと、受光
素子の受光面に被検出光を入射させる透光手段とを有
し、パッケージの受光素子に隣接する位置に、被検出光
に略平行な光線の透過を可能にする手段を設けたことを
特徴としている。
【００１３】上記の光線の透過を可能にする手段は、不
透光性部材からなるパッケージの一部に設けた開口を、
透光性部材で封じた透光窓である。あるいはパッケージ
の少なくとも一部を透光性部材で構成してもよい。さら
に、パッケージと受光素子の受光面に被検出光を入射さ
せる透光手段とを一体成形された透光性部材としてもよ
い。
【００１４】本発明の光分波器は、複数の波長を含む入
射光を回折格子に入射し、回折格子によって分波された
光を複数の受光素子を実装した光検出器に入射させる光
学系からなる。ここで用いる光検出器は、受光素子と、
受光素子を実装したパッケージと、受光素子の受光面に
分波された光を入射させる透光手段とを有し、かつ受光
素子に隣接する位置に、受光素子への入射光の透過を可
能にする手段を設け、回折格子に、入射光の透過を可能
にする手段を介して入射光を入射するように構成されて
いる。
【００１５】上記入射光の透過を可能にする手段は、不
透光性部材からなるパッケージの一部に設けた開口を、
透光性部材で封じた透光窓である。あるいはパッケージ
の少なくとも一部を透光性部材で構成してもよい。この
入射光の透過を可能にする手段に近接して光ファイバ端
面を配置すれば、入射光を容易に供給することができ
る。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明による光検出器の実施形態
を図１に示す。この形態では、光検出器１は、従来と同
様に不透光性部材からなるパッケージ１３に受光素子ア
レイ１１を接着実装してあり、この受光素子アレイ１１
に対向する位置に各受光素子１０に入射する被検出光を
透過させる手段である第一の透光窓１２を有している。
ただし、電気配線手段は図示を省略している。
【００１７】本発明の光検出器１は、不透光性のパッケ
ージ１３の受光素子アレイ１１に隣接する位置に開口１
４が形成されているのが特徴である。この開口１４は、
受光素子アレイ１１を封止実装するために透光性部材１
５によって封じられ、第二の透光窓１６として機能す
る。
【００１８】光検出器１で検出される光線とほぼ平行な
光線が、パッケージ１３の裏面から照射されると、この
光線はまず第二の透光窓１６を透過して、光検出器１の
内部に一旦進入し、第二の透光窓１２から外部に出る。
すなわち、通常であれば光検出器のパッケージで遮られ
る光線が、透過できる。この透過光を、例えば光検出器
前方に置いた反射手段で反射させ、再び透光窓１２を通
して光検出器１に入射させることができる。このような
光学系では、光検出器の裏面方向からの入射光をほぼ逆
進させて検出する配置がとることができる。
【００１９】したがって、本発明により、光検出器１の
パッケージ１３の構造や寸法に制限されずに、光学設計
に基づいて受光素子１０に対する光の入射位置を最適に
近い状態で選択することができるようになる。入射光に
は、空間伝搬するコリメート光や収束光、発散光、光フ
ァイバ端面からの出射光などが用いられる。また開口１
４に接近して置かれたピンホールや光学素子などによっ
て、所望の強度分布や角度分布、空間分布に整形した光
など、光学設計に応じて自由に選択することができる。
【００２０】また、開口１４の大きさはパッケージ１３
の寸法の許す範囲において任意に選択できる。例えば、
開口１４を光ファイバ４のコア径程度のピンホール状に
非常に小さくしてもよく、逆に、図２のように、開口１
４を非常に大きくし、実質的にパッケージ１３の底部全
体を透光性部材１５とし、その上に受光素子アレイ１１
を配置してもよい。この場合は、受光素子アレイのチッ
プや電気配線によって光が遮られる部分を除いて、パッ
ケージの比較的広い範囲を光が透過できるので、入射光
の位置の自由度を高くできるという利点がある。いずれ
にしても光検出器１内の受光素子アレイ１１と隣接した
位置を光が透過できるように透光手段が設けられている
ことが重要である。
【００２１】透光性部材は、使用波長の光を透過するも
のであればよく、例えば、１３１０ｎｍや１５５０ｎｍ
などの光通信に用いられる赤外域用であれば、石英ガラ
ス、パイレックス（登録商標）、ゼロデュア、ＢＫ７、
テンパックス、７０５９、１７３５、サファイヤガラス
のようなガラス材料、あるいはシリコンのような半導体
材料、アクリルやポリカーボネート、シリコーンなどの
樹脂材料などを使用することが可能である。
【００２２】また、パッケージ１３と透光窓１２、１６
で封止された空間の媒質も使用波長の光を通過するもの
であればよく、空気、窒素、アルゴンなどの気体が一般
的であるが、マッチングオイルや純水、グリスなどの液
体、シリコーンやエポキシ、アクリル、シリコーン等、
接着や封止、プレス成形、射出成形に用いる樹脂等を充
填してもよい。
【００２３】前記透光性部材と光検出器内の空間媒質と
を同じ材料とすることも界面での反射損失を防止する点
から好ましい。図３のように、実装用キャリア１７上に
受光素子１０または受光素子アレイ１１を実装し、電気
出力引き出し用の配線（図示していない）を設けたうえ
で、前記した透光性の樹脂等で全体を封止した透光性成
形体１８によりこのような構造を実現することができ
る。
【００２４】なお、透光性部材と空間媒質が異なる材料
の場合は、界面に反射損失を減少するための反射防止膜
を施すことが好ましい。また、窓面の面精度は、光が透
過することにより、波面収差が増大して光学特性が悪化
しないように、使用波長において、光が通過する領域内
で１波長以下であることが望ましい。
【００２５】また、パッケージ１３の外形形状と材料は
任意に選択できるが、パッケージの材料と透光性部材の
膨張係数差は、３０×１０-7／℃以内、もしくは透光性
部材の膨張係数の１０％以内であることが望ましく、同
一の材料を使用することがもっとも望ましい。
【００２６】つぎに本発明による光検出器を用いた光分
波器について説明する。構成の一例を図４に示す。光学
系への光の入射手段として単一モード光ファイバ４を使
用している。この光ファイバ４の出射端と受光素子アレ
イ１１は、コリメータレンズ２、回折格子３を介して共
役な位置になるようにリトロー配置されている。
【００２７】使用した光検出器のパッケージ上面を取り
除いた状態での平面図を図５に示す。パッケージには、
ＤＩＰ型のセラミックパッケージ２３を使用し、パッケ
ージ自体は不透光性である。受光素子アレイ２１は受光
面積３０μｍ×１００μｍのＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系
受光素子を、５０μｍ間隔で２２素子直線状に配列した
ものである。分波光を入射する第一の透光窓（パッケー
ジ上面に設けられているため、図示されていない）と光
ファイバからの入射光を透過する第二の透光窓２６に用
いた透光性部材は、ともにサファイヤガラスを用いた。
受光素子アレイ２１のチップ端部と第二の透光窓２６の
端部の最短距離は約１．９ｍｍとし、透光窓の大きさは
４．９ｍｍ×３．２ｍｍ、有効開口部の大きさは３．７
×２．０ｍｍとした。受光素子アレイ２１を構成する各
受光素子の上部電極とパッケージのリードフレームはワ
イヤボンドで接続されているが、図では省略している。
このリードフレームの端部がパッケージ外に出て複数の
接続端子２８（この場合、２４ピン）となっている。パ
ッケージの内部には乾燥窒素を充填、封止した。
【００２８】パッケージの開口１４の大きさは、光ファ
イバ端を保持するキャピラリ５を挿入固定できる寸法と
した。コリメータレンズ２の焦点距離は約５０ｍｍ、回
折格子の格子定数は約１．１μｍとした。本構成によ
り、光ファイバ４と受光素子の距離を、本発明によらな
い場合には不可能な、１ｍｍ程度にすることができた。
【００２９】本発明による、光分波器の分波特性を図６
に、比較例として、従来の光検出器を使用した場合の分
波特性を図７に、それぞれ示す。従来の光検出器を用い
た場合では、図７に示すように、軸外収差のために集光
スポットが拡大し、それによってクロストークが悪化し
ているが、本発明の光検出器を用いることにより、図６
に示すようにクロストーク、フィルタ特性とも改善さ
れ、良好な結果が得られた。
【００３０】本実施例では、回折格子３に平板型の回折
格子を使用したが、コリメータレンズ２と回折格子３を
凹面弧上に形成した回折格子に置き換えることが可能で
ある。
【００３１】以上では、本発明の光検出器を用いた光分
波器の構成例を説明したが、入射光を折り返して検出す
る光学系を必要とする光学機器であれば、本発明の光検
出器は光学系の設計の自由度を向上させるために有用で
ある。
【００３２】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、通常のパ
ッケージでは制約される光ファイバまたは空間からの入
射光と受光素子の受光面との光学的な位置を、透光窓を
介して光を入出射させることを前提に、自由に設計する
ことが可能になる。したがって、特に光学系の軸上に光
ファイバと受光素子を配置することによって、理想的な
性能が実現できる光学系、例えば、光ファイバと受光素
子とを近接して軸上に配置する必要があるような回折格
子を用いたリトロー配置の光学系では、軸外収差を抑圧
した光学系構成が可能になり、低コストで理想的な光学
性能を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光検出器の基本構造を示す断面図
である。
【図２】本発明による光検出器の他の基本構造を示す断
面図である。
【図３】本発明による光検出器の他の基本構造を示す断
面図である。
【図４】本発明の光検出器を使用したリトロー配置の光
分波器の光学系を示す図である。
【図５】本発明の光検出器の実施例を示す平面図であ
る。
【図６】本発明の光分波器の特性を示す図である。
【図７】従来の光光分波器の特性を示す図である。
【図８】従来の光検出器を使用したリトロー配置の光分
波器の光学系を示す図である。
【符号の説明】
１ 光検出器 ２ コリメータレンズ ３ 回折格子 ４ 光ファイバ １０ 受光素子 １１、２１ 受光素子アレイ １２、１６、２６ 透光窓 １３ パッケージ １４ 開口 １５ 透光性部材 ２３ セラミックパッケージ ２８ 接続端子 ５１ 光ファイバからの入射光 ５２ コリメータレンズから回折格子に向かう入射光 ５３ 回折格子で回折した光 ５４ コリメータレンズで集光された光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H037 AA01 BA12 BA14 CA33 DA03 DA36 5F088 AB07 BB01 EA03 EA11 JA05 JA11 JA12 JA14

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】受光素子と、該受光素子を実装したパッケ
    ージと、前記受光素子の受光面に被検出光を入射させる
    透光手段とを有する光検出器において、前記パッケージ
    の受光素子に隣接する位置に、前記被検出光に略平行な
    光線の透過を可能にする手段を設けたことを特徴とする
    光検出器。
  2. 【請求項２】前記光線の透過を可能にする手段が、不透
    光性部材からなるパッケージの一部に設けた開口を透光
    性部材で封じた透光窓であることを特徴とする請求項１
    に記載の光検出器。
  3. 【請求項３】前記光線の透過を可能にする手段が、前記
    パッケージの少なくとも一部をなす透光性部材であるこ
    とを特徴とする請求項１に記載の光検出器。
  4. 【請求項４】前記パッケージと前記受光素子の受光面に
    被検出光を入射させる透光手段とが一体成形された透光
    性部材であることを特徴とする請求項１に記載の光検出
    器。
  5. 【請求項５】複数の波長を含む入射光を回折格子に入射
    し、該回折格子によって分波された光を複数の受光素子
    を実装した光検出器に入射させる光学系からなる光分波
    器において、前記光検出器は、受光素子と該受光素子を
    実装したパッケージと、前記受光素子の受光面に分波さ
    れた光を入射させる透光手段とを有し、かつ前記受光素
    子に隣接する位置に、前記受光素子に入射する分波され
    た光と略平行な入射光の透過を可能にする手段を設け、
    前記回折格子に、前記入射光の透過を可能にする手段を
    介して入射光を入射することを特徴とする光分波器。
  6. 【請求項６】前記入射光の透過を可能にする手段が、不
    透光性部材からなるパッケージの一部に設けた開口を透
    光性部材で封じた透光窓であることを特徴とする請求項
    ５に記載の光分波器。
  7. 【請求項７】前記入射光の透過を可能にする手段が、前
    記パッケージの少なくとも一部をなす透光性部材である
    ことを特徴とする請求項５に記載の光分波器。
  8. 【請求項８】前記パッケージと前記受光素子の受光面に
    分波された光を入射させる透光手段とが一体成形された
    透光性部材であることを特徴とする請求項５に記載の光
    分波器。
  9. 【請求項９】前記複数の波長を含む入射光を、前記入射
    光の透過を可能にする手段に近接して配置した光ファイ
    バ端面から供給することを特徴とする請求項５に記載の
    光分波器。
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