JP5390474B2

JP5390474B2 - 光受信器

Info

Publication number: JP5390474B2
Application number: JP2010129918A
Authority: JP
Inventors: 聡児玉; 俊英吉松; 直輝重川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2010-06-07
Filing date: 2010-06-07
Publication date: 2014-01-15
Anticipated expiration: 2030-06-07
Also published as: JP2011257476A

Description

本発明は、波長多重された光信号を波長分割してそれぞれの波長の光信号を受信する光受信器に関するものである。

波長分割多重（ＷＤＭ；Wavelength Division Multiplexing）システムに用いられる受信器は、波長多重された光信号を波長ごとの光信号に分割する光分波器と、光信号を電気信号に変換する受光素子とから構成される。光分波器としては、ＡＷＧ（Arrayed Waveguide）や回折格子を用いた波長フィルタや、誘電体の薄膜を用いた波長フィルタがある。長距離通信の波長多重通信システムでは、受信器に用いられる波長分波器にはＡＷＧ型の波長フィルタが用いられている。一方、イーサネット（登録商標）などの近距離データ通信では、より安価なシステムが求められており、安価なシステムを実現するために、波長分波器には広い透過波長帯域と、チャネル間の低いクロストークが求められている。このため、近距離データ通信では、主に複数の誘電体薄膜フィルタを組み合わせて構成される光分波器が用いられている。

従来の光受信器の構成例を図５に示す。本図では、４つの波長λ１，λ２，λ３，λ４の光信号が波長多重された光信号をそれぞれ波長ごとに分割して受信する光受信器の構成を示す。このような光受信器の構成は、例えば非特許文献１に開示されている。
図５において、２００１，２００２，２００３，２００４は、それぞれ特定の波長λ１，λ２，λ３，λ４の光信号を透過するバンドパスフィルタ、３００１はミラー、４００１はバンドパスフィルタ２００１〜２００４とミラー３００１とを対向させて保持するプリズム、５０００は光信号を電気信号に変換する受光素子５００１〜５００４を集積化した受光素子アレイチップである。

また、１０００は複数の波長λ１，λ２，λ３，λ４の光信号が多重された光入力信号、１０１１，１０２１，１０３１はそれぞれバンドパスフィルタ２００１，２００２，２００３で透過されずに反射した光信号、１０１２，１０２２，１０３２はそれぞれ光信号１０１１，１０２１，１０３１がミラー３００１で全反射した後の光信号である。また、１０１０，１０２０，１０３０，１０４０はそれぞれ光入力信号１０００、光信号１０１２，１０２２，１０３２がバンドパスフィルタ２００１，２００２，２００３，２００４を透過した後の光信号であり、それぞれ波長λ１，λ２，λ３，λ４の光信号である。

次に、従来例の動作について図５を用いて説明する。波長λ１，λ２，λ３，λ４の光信号が多重された光入力信号１０００は、プリズム４００１に入射し、バンドパスフィルタ２００１に入射し、波長λ１の光信号のみがバンドパスフィルタ２００１を透過する。バンドパスフィルタ２００１を透過した波長λ１の光信号１０１０は、受光素子５００１に入射し、電気信号に変換される。
バンドパスフィルタ２００１で反射した光信号１０１１は、波長λ１の光信号が除外されており、波長λ２，λ３，λ４の光信号が波長多重された光信号となる。光信号１０１１は、ミラー３００１で全反射する。ミラー３００１で全反射した後の光信号１０１２は、バンドパスフィルタ２００２に入射し、波長λ２の光信号のみがバンドパスフィルタ２００２を透過する。バンドパスフィルタ２００２を透過した波長λ２の光信号１０２０は、受光素子５００２に入射し、電気信号に変換される。

バンドパスフィルタ２００２で反射した光信号１０２１は、波長λ２の光信号が除外されており、波長λ３，λ４の光信号が波長多重された光信号となる。光信号１０２１は、ミラー３００１で全反射する。ミラー３００１で全反射した後の光信号１０２２は、バンドパスフィルタ２００３に入射し、波長λ３の光信号のみがバンドパスフィルタ２００３を透過する。バンドパスフィルタ２００３を透過した波長λ３の光信号１０３０は、受光素子５００３に入射し、電気信号に変換される。
バンドパスフィルタ２００３で反射した光信号１０３１は、波長λ３の光信号が除外されており、波長λ４の光信号となる。光信号１０３１は、ミラー３００１で全反射する。ミラー３００１で全反射した後の光信号１０３２は、バンドパスフィルタ２００４に入射し、波長λ４の光信号のみがバンドパスフィルタ２００４を透過する。バンドパスフィルタ２００４を透過した光信号１０４０は、受光素子５００４に入射し、電気信号に変換される。

このように、従来の光受信器では、対向させたバンドパスフィルタ２００１〜２００４とミラー３００１とによって光信号の進路を複数回折り曲げながら、バンドパスフィルタ２００１〜２００４で所望の波長を透過させることで、波長多重された光信号を波長ごとに分割して受信することができる。

望月他、「１００Ｇｂｐｓイーサネット光受信モジュール用４ｃｈ−ＷＤＭ光学系の開発」，２０１０年電子情報通信学会総合大会，仙台市，２０１０年３月，Ｃ−４−２２，エレクトロニクス講演論文集Ｉ，ｐ．２７３

しかしながら、図５に示した従来の光受信器では、波長ごとに分割した光信号をそれぞれ受光素子に入射させるために、バンドパスフィルタとミラーを対向させてプリズムに集積した光学系の位置と、受光素子アレイチップの位置と、光入力信号の入射位置および入射角度とを調整しながら光学実装する必要があり、実際にモジュールとして組み上げるためには複雑な光学実装工程を要するので、歩留まりが低く、低コストで実現することが難しいという問題点があった。

本発明は、上述の従来技術における問題点を解消するものであって、光学実装工程を簡易化することができ、歩留まりを向上させることができ、コストを削減することができる光受信器を提供することを目的とする。

本発明の光受信器は、表面にｎ（ｎは２以上の整数）個の受光素子が形成され、裏面に（ｎ＋１）個のＶ溝が平行に形成された光透過性の材料からなる第１の基板と、前記（ｎ＋１）個のＶ溝と嵌合する形状の（ｎ＋１）個の凸部が形成された、前記第１の基板と同屈折率の光透過性の材料からなる第２の基板とを備え、前記（ｎ＋１）個のＶ溝のうち光信号の入力側に最も近いＶ溝の一方の斜面には、ｎ個の波長の光信号が多重された光入力信号が入力されるミラーが形成され、他方の斜面には無反射膜が形成され、前記（ｎ＋１）個のＶ溝のうち光信号の入力側から最も遠いＶ溝の一方の斜面には、バンドリジェクションフィルタが形成され、残りの（ｎ−１）個のＶ溝の一方の斜面には、それぞれバンドリジェクションフィルタが形成され、他方の斜面にはそれぞれ無反射膜が形成され、ｎ個の前記バンドリジェクションフィルタは、それぞれ特定の波長の光信号のみを反射し、前記ｎ個の受光素子は、それぞれ対向するバンドリジェクションフィルタからの反射光が入射する位置に形成され、前記第２の基板は、前記Ｖ溝と前記凸部とが嵌合して前記凸部が前記バンドリジェクションフィルタと前記無反射膜と前記ミラーとに接するよう前記第１の基板と接合されることを特徴とするものである。

また、本発明の光受信器は、表面にｎ（ｎは２以上の整数）個の受光素子が形成され、裏面にｎ個のＶ溝が平行に形成された光透過性の材料からなる第１の基板と、前記ｎ個のＶ溝と嵌合する形状のｎ個の凸部が形成された、前記第１の基板と同屈折率の光透過性の材料からなる第２の基板とを備え、前記ｎ個のＶ溝のうち光信号の入力側に最も近いＶ溝の一方の斜面には、ｎ個の波長の光信号が多重された光入力信号が入力されるバンドパスフィルタが形成され、他方の斜面には無反射膜が形成され、前記ｎ個のＶ溝のうち光信号の入力側から最も遠いＶ溝の一方の斜面には、バンドリジェクションフィルタが形成され、残りの（ｎ−２）個のＶ溝の一方の斜面には、それぞれバンドリジェクションフィルタが形成され、他方の斜面にはそれぞれ無反射膜が形成され、前記バンドパスフィルタは、特定の波長の光信号のみを透過させ、ｎ個の前記バンドリジェクションフィルタは、それぞれ特定の波長の光信号のみを反射し、前記ｎ個の受光素子は、それぞれ対向するバンドパスフィルタからの透過光または対向するバンドリジェクションフィルタからの反射光が入射する位置に形成され、前記第２の基板は、前記Ｖ溝と前記凸部とが嵌合して前記凸部が前記バンドパスフィルタと前記バンドリジェクションフィルタと前記無反射膜とに接するよう前記第１の基板と接合されることを特徴とするものである。

本発明によれば、光学実装工程においては第１、第２の基板と光入力信号との位置を合わせるだけで済むので、簡易な実装工程となり、歩留まりを向上させることができ、コストを削減することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る光受信器の構成を示す図である。本発明の第１の実施の形態において第１の半導体基板に形成されたＶ溝の形状を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態において第２の半導体基板に形成された凸部の形状を示す断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る光受信器の構成を示す図である。従来の光受信器の構成例を示す図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態の詳細を図面を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る光受信器の構成を示す図である。図１では、４つの波長λ１，λ２，λ３，λ４の光信号が波長多重された光信号をそれぞれ波長ごとに分割して受信する光受信器の構成を示している。

第１の半導体基板５００１の表面（図１下面）には、受光素子５０１，５０２，５０３，５０４が形成されている。第１の半導体基板５００１の裏面（図１上面面）には、４５°の斜面を有するＶ溝７００，７０１，７０２，７０３，７０４が形成されている。なお、ここでは、図２に示すように断面が逆三角形の溝をＶ溝と称する。受光素子５０１〜５０４の配列方向（図１左右方向）とＶ溝７００〜７０４の延伸方向（図１の紙面に垂直な方向）とは、直角に交差している。Ｖ溝７００の２つの斜面のうち一方の斜面には、ミラー３００が形成されている。ミラー３００の材料としては、例えば光の反射率が高い金属などを用いればよい。

Ｖ溝７０１，７０２，７０３，７０４の２つの斜面のうち一方の斜面には、それぞれ特定の波長λ１，λ２，λ３，λ４の光信号を透過させないバンドリジェクションフィルタ２０１，２０２，２０３，２０４が形成されている。バンドリジェクションフィルタ２０１〜２０４は、例えば周知の誘電体多層膜構造により実現することができる。受光素子５０１，５０２，５０３，５０４は、それぞれバンドリジェクションフィルタ２０１，２０２，２０３，２０４からの反射光が入射する位置に形成されている。

Ｖ溝７００の２つの斜面のうちミラー３００が形成されていない方の斜面には、無反射（ＡＲ；Anti-Refracting）膜６００が形成されている。また、Ｖ溝７０１，７０２，７０３の２つの斜面のうちバンドリジェクションフィルタ２０１，２０２，２０３が形成されていない方の斜面には、それぞれＡＲ膜６０１，６０２，６０３が形成されている。ＡＲ膜６００〜６０３は、例えば周知の誘電体多層膜構造により実現することができる。なお、本実施の形態では、各Ｖ溝の２つの斜面のうち光信号の入力側から近い方の斜面にミラーまたはバンドリジェクションフィルタを形成し、光信号の入力側から遠い方の斜面にＡＲ膜を形成している。

５００２は第１の半導体基板５００１と同じ屈折率を有する材料からなる第２の半導体基板である。第２の半導体基板５００２には、Ｖ溝７００，７０１，７０２，７０３，７０４と対向する位置に、それぞれＶ溝７００，７０１，７０２，７０３，７０４と嵌合する形状の凸部８００，８０１，８０２，８０３，８０４が形成されている。ここでは、凸部８００，８０１，８０２，８０３，８０４は、図３に示すように断面が三角形の形状をしている。

Ｖ溝７００，７０１，７０２，７０３，７０４と凸部８００，８０１，８０２，８０３，８０４とが嵌合するように第１の半導体基板５００１と第２の半導体基板５００２とを合わせたとき、ミラー３００とＡＲ膜６００はＶ溝７００と凸部８００によって挟まれ、バンドリジェクションフィルタ２０１とＡＲ膜６０１はＶ溝７０１と凸部８０１によって挟まれ、バンドリジェクションフィルタ２０２とＡＲ膜６０２はＶ溝７０２と凸部８０２によって挟まれ、バンドリジェクションフィルタ２０３とＡＲ膜６０３はＶ溝７０３と凸部８０３によって挟まれ、バンドリジェクションフィルタ２０４はＶ溝７０４と凸部８０４によって挟まれる。

１００は複数の波長λ１，λ２，λ３，λ４の光信号が多重された光入力信号、１０１はミラー３００で全反射した後の光信号、１１１，１２１，１３１はそれぞれバンドリジェクションフィルタ２０１，２０２，２０３を透過した光信号である。また、１１０，１２０，１３０，１４０はそれぞれ光信号１０１，１１１，１２１，１３１がバンドリジェクションフィルタ２０１，２０２，２０３，２０４で反射した後の光信号であり、それぞれ波長λ１，λ２，λ３，λ４の光信号である。

次に、本実施の形態の動作について図１を用いて説明する。波長λ１，λ２，λ３，λ４の光信号が多重された光入力信号１００は、第２の半導体基板５００２を透過してミラー３００で全反射して光路が９０°変わる。ミラー３００で全反射した後の光信号１０１は、第２の半導体基板５００２、ＡＲ膜６００、第１の半導体基板５００１を透過してバンドリジェクションフィルタ２０１に入射し、波長λ１の光信号のみが反射し、その他の波長の光信号はバンドリジェクションフィルタ２０１を透過する。バンドリジェクションフィルタ２０１で反射した波長λ１の光信号１１０は、第１の半導体基板５００１を透過して受光素子５０１に入射し、電気信号に変換される。

バンドリジェクションフィルタ２０１を透過した光信号１１１は、波長λ１の光信号が除外されており、波長λ２，λ３，λ４の光信号が波長多重された光信号となる。光信号１１１は、第２の半導体基板５００２、ＡＲ膜６０１、第１の半導体基板５００１を透過してバンドリジェクションフィルタ２０２に入射し、波長λ２の光信号のみが反射し、その他の波長の光信号はバンドリジェクションフィルタ２０２を透過する。バンドリジェクションフィルタ２０２で反射した波長λ２の光信号１２０は、第１の半導体基板５００１を透過して受光素子５０２に入射し、電気信号に変換される。

バンドリジェクションフィルタ２０２を透過した光信号１２１は、波長λ２の光信号が除外されており、波長λ３，λ４の光信号が波長多重された光信号となる。光信号１２１は、第２の半導体基板５００２、ＡＲ膜６０２、第１の半導体基板５００１を透過してバンドリジェクションフィルタ２０３に入射し、波長λ３の光信号のみが反射し、その他の波長の光信号はバンドリジェクションフィルタ２０３を透過する。バンドリジェクションフィルタ２０３で反射した波長λ３の光信号１３０は、第１の半導体基板５００１を透過して受光素子５０３に入射し、電気信号に変換される。

バンドリジェクションフィルタ２０３を透過した光信号１３１は、波長λ３の光信号が除外されており、波長λ４の光信号となる。光信号１３１は、第２の半導体基板５００２、ＡＲ膜６０３、第１の半導体基板５００１を透過してバンドリジェクションフィルタ２０４に入射し、波長λ４の光信号のみが反射する。バンドリジェクションフィルタ２０４で反射した光信号１４０は、第１の半導体基板５００１を透過して受光素子５０４に入射し、電気信号に変換される。

このようにして、本実施の形態では、対向させたバンドリジェクションフィルタ２０１〜２０４と受光素子５０１〜５０４、Ｖ溝７００〜７０４、ＡＲ膜６００〜６０３の組み合わせを複数配置し、バンドリジェクションフィルタ２０１〜２０４で所望の波長を反射させることで、波長多重された光信号を、それぞれの波長に分割して受信することできる。本実施の形態では、半導体基板に各部品をモノリシックに集積しているので、部品点数を削減することができる。また、本実施の形態では、第１の半導体基板５００１の表面に受光素子５０１〜５０４を形成し、第１の半導体基板５００１の裏面にＶ溝７００〜７０４を形成し、Ｖ溝７００〜７０４の斜面にミラー３００とＡＲ膜６００〜６０３とバンドリジェクションフィルタ２０１〜２０４を形成し、凸部８００〜８０４を形成した第２の半導体基板５００２と第１の半導体基板５００１とを合わせるだけで光受信器を作製することができ、光学実装工程においては半導体基板５００１，５００２と光入力信号１００との位置を合わせるだけで済むので、簡易な実装工程となり、歩留まりを向上させることができ、コストを削減することができる。

なお、図１では、受光素子５０１〜５０４の電気配線の記載を省略している。また、光入力信号のためのレンズなどの光学系も記載を省略している。
また、本実施の形態では、Ｖ溝７００〜７０４を等間隔に配置し、受光素子５０１〜５０４も等間隔に配置しているが、受光素子５０１〜５０４とバンドリジェクションフィルタ２０１〜２０４が、それぞれ光信号１１０，１２０，１３０，１４０の光路上に配置されれば、不等間隔に配置しても良い。

また、本実施の形態では、４つの波長λ１，λ２，λ３，λ４の光信号が波長多重された光信号を波長ごとに分割して受信する場合について説明したが、受光素子と対向するバンドリジェクションフィルタ、Ｖ溝、ＡＲ膜の組み合わせを、多重された波長数に等しい数だけ設けることで、２つ以上の複数の波長多重された光信号をそれぞれ分割して受信する光受信器を構成することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は本発明の第２の実施の形態に係る光受信器の構成を示す図である。本実施の形態は、第１の実施の形態におけるＶ溝７００、ミラー３００およびＡＲ膜６００を省略し、バンドリジェクションフィルタ２０１の代わりに、波長λ１の光信号を透過しそれ以外の光信号を反射するバンドパスフィルタ２０１ａを形成して、構成を簡易化したものである。バンドパスフィルタ２０１ａは、例えば周知の誘電体多層膜構造により実現することができる。

本実施の形態では、波長λ１，λ２，λ３，λ４の光信号が多重された光入力信号１００をバンドパスフィルタ２０１ａに入射させる。バンドパスフィルタ２０１ａを通過した波長λ１の光信号１１０は、受光素子５０１に入射する。一方、バンドパスフィルタ２０１ａで反射した光信号１１１は、波長λ１の光信号が除外されており、波長λ２，λ３，λ４の光信号が波長多重された光信号となる。以降の動作は、第１の実施の形態で説明したとおりである。
本実施の形態では、第１の半導体基板５００１上にモノリシック集積する際の工程数を削減することができ、光受信器をより低コストに作製することができるという効果がある。

なお、第１、第２の実施の形態では、受光素子の吸収層は、波長分割されたそれぞれの波長の光を吸収できる材料であればよい。第１、第２の実施の形態では、半導体基板を用いたが、受光素子を作製でき、裏面にＶ溝を形成できるのであれば、基板の材料は問わない。

例えば、受光素子として吸収層にＩｎＧａＡｓやＧａＮＡｓを用いたフォトダイオードを用いることができる。この場合、半導体基板５００１の材料としてはＩｎＰが望ましい。また、受光素子としてＧａＡｓを用いたフォトダイオードを用いることもできる。この場合、半導体基板５００１の材料としてはＧａＡｓが望ましい。さらに、受光素子として吸収層にＧｅを用いたフォトダイオードを用いることもできる。この場合、半導体基板５００１の材料としてはＧｅが望ましいが、ウエハボンディング技術などを用いてＳｉなどの他の材料を用いることも可能である。

本発明は、波長多重された光信号を波長分割してそれぞれの波長の光信号を受信する技術に適用することができる。

１００…光入力信号、１０１，１１０，１１１，１２０，１２１，１３０，１３１，１４０…光信号、２０１，２０２，２０３，２０４…バンドリジェクションフィルタ、２０１ａ…バンドパスフィルタ、３００…ミラー、５０１，５０２，５０３，５０４…受光素子、６００，６０１，６０２，６０３…無反射膜、７００，７０１，７０２，７０３，７０４…Ｖ溝、８００，８０１，８０２，８０３，８０４…凸部、５００１，５００２…半導体基板。

Claims

表面にｎ（ｎは２以上の整数）個の受光素子が形成され、裏面に（ｎ＋１）個のＶ溝が平行に形成された光透過性の材料からなる第１の基板と、
前記（ｎ＋１）個のＶ溝と嵌合する形状の（ｎ＋１）個の凸部が形成された、前記第１の基板と同屈折率の光透過性の材料からなる第２の基板とを備え、
前記（ｎ＋１）個のＶ溝のうち光信号の入力側に最も近いＶ溝の一方の斜面には、ｎ個の波長の光信号が多重された光入力信号が入力されるミラーが形成され、他方の斜面には無反射膜が形成され、
前記（ｎ＋１）個のＶ溝のうち光信号の入力側から最も遠いＶ溝の一方の斜面には、バンドリジェクションフィルタが形成され、
残りの（ｎ−１）個のＶ溝の一方の斜面には、それぞれバンドリジェクションフィルタが形成され、他方の斜面にはそれぞれ無反射膜が形成され、
ｎ個の前記バンドリジェクションフィルタは、それぞれ特定の波長の光信号のみを反射し、
前記ｎ個の受光素子は、それぞれ対向するバンドリジェクションフィルタからの反射光が入射する位置に形成され、
前記第２の基板は、前記Ｖ溝と前記凸部とが嵌合して前記凸部が前記バンドリジェクションフィルタと前記無反射膜と前記ミラーとに接するよう前記第１の基板と接合されることを特徴とする光受信器。
表面にｎ（ｎは２以上の整数）個の受光素子が形成され、裏面にｎ個のＶ溝が平行に形成された光透過性の材料からなる第１の基板と、
前記ｎ個のＶ溝と嵌合する形状のｎ個の凸部が形成された、前記第１の基板と同屈折率の光透過性の材料からなる第２の基板とを備え、
前記ｎ個のＶ溝のうち光信号の入力側に最も近いＶ溝の一方の斜面には、ｎ個の波長の光信号が多重された光入力信号が入力されるバンドパスフィルタが形成され、他方の斜面には無反射膜が形成され、
前記ｎ個のＶ溝のうち光信号の入力側から最も遠いＶ溝の一方の斜面には、バンドリジェクションフィルタが形成され、
残りの（ｎ−２）個のＶ溝の一方の斜面には、それぞれバンドリジェクションフィルタが形成され、他方の斜面にはそれぞれ無反射膜が形成され、
前記バンドパスフィルタは、特定の波長の光信号のみを透過させ、
ｎ個の前記バンドリジェクションフィルタは、それぞれ特定の波長の光信号のみを反射し、
前記ｎ個の受光素子は、それぞれ対向するバンドパスフィルタからの透過光または対向するバンドリジェクションフィルタからの反射光が入射する位置に形成され、
前記第２の基板は、前記Ｖ溝と前記凸部とが嵌合して前記凸部が前記バンドパスフィルタと前記バンドリジェクションフィルタと前記無反射膜とに接するよう前記第１の基板と接合されることを特徴とする光受信器。