受光モジュール
【課題】受光モジュール内部における信号光の反射に起因するノイズが軽減されつつ、受光モジュールにおける受光感度の低下が抑制される、受光モジュールの提供。
【解決手段】外部より入力される信号光を内部へ出射する光学部材と、前記光学部材より出射する出射光を収束光に変換して出射するレンズと、前記収束光の光軸に対して法線方向が斜交して配置される反射面２１を有するとともに、前記収束光を受光して電気信号に変換する受光素子４と、を備える受光モジュールであって、前記収束光が前記反射面で反射してなる反射光１２の開口数は、前記反射光の光軸と垂直に交わる反射光垂直面において、前記反射光の光軸に対して異方性分布を有し、前記反射面から延びる法線の向きが前記反射光垂直面に正射影される向きである第１の向きの前記反射光の開口数より大きい開口数となる第２の向きが前記反射光垂直面に第１の向きと異なる向きに存在する。
【解決手段】外部より入力される信号光を内部へ出射する光学部材と、前記光学部材より出射する出射光を収束光に変換して出射するレンズと、前記収束光の光軸に対して法線方向が斜交して配置される反射面２１を有するとともに、前記収束光を受光して電気信号に変換する受光素子４と、を備える受光モジュールであって、前記収束光が前記反射面で反射してなる反射光１２の開口数は、前記反射光の光軸と垂直に交わる反射光垂直面において、前記反射光の光軸に対して異方性分布を有し、前記反射面から延びる法線の向きが前記反射光垂直面に正射影される向きである第１の向きの前記反射光の開口数より大きい開口数となる第２の向きが前記反射光垂直面に第１の向きと異なる向きに存在する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光モジュールに関し、特に、受光モジュール内部における信号光の反射に起因するノイズの軽減と、受光モジュールにおける受光感度の低下抑制に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、光通信装置などに備えられる受光モジュールは、光ファイバ等の光学部材と、レンズと、受光素子とを備えるのが一般的である。ここで、光学部材は、受光モジュールの外部から入力される信号光を受光モジュール内部へ出射している。レンズは、光学部材より出射する出射光を収束光に変換し、受光素子へ出射している。さらに、受光素子は、レンズより出射する出射光を受光して電気信号に変換している。
【０００３】
しかしながら、受光モジュールの内部に入射する信号光の一部が、受光モジュールの内部で反射され、その反射光が光学部材に戻ることで、受光モジュールが備えられる装置においてノイズの原因になり得る。
【０００４】
信号光の反射に起因するノイズを抑制する従来技術が、特許文献１乃至特許文献３に記載されている。特許文献１及び特許文献２では、光ファイバより入射する入射光の光軸に対して、受光素子を搭載するサブマウントの面が傾斜しているサブマウントを配置することにより、受光素子の受光面からの反射光が光ファイバに戻ることを抑制している。また、特許文献３には、受光素子の受光面を加工して傾斜をつけることにより、反射光が光ファイバに戻ることを抑制している。
【０００５】
例えば、受光素子が反射面を有しており、信号光の反射面における反射に起因するノイズを軽減するために、受光素子への入射光の光軸に対して、受光素子の反射面の法線方向が斜交するよう受光素子が配置される。ここで、入射光の光軸と反射面の法線方向とがなす角度（入射光傾斜角）を角度α［ｒａｄ］とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１８６３２１号公報
【特許文献２】特開平８−９４８８７号公報
【特許文献３】特開平５−１５２５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光反射減衰量（Optical Return Loss：以下、ＯＲＬと記す）は、受光モジュール内部での信号光に起因するノイズと信号光のＳ／Ｎ比に対応している。ＯＲＬを軽減するためには、角度αを大きくすればよい。
【０００８】
受光素子への入射光は、前述の通り、レンズによって集光されている収束光である。収束光の集まり具合を表す相対的な大きさとして、開口数（Numerical Aperture：以下、ＮＡと記す）が用いられる。そして、入射光が収束光である場合、反射面によって反射される反射光は、反射面より遠くに進むにつれて広がる発散光であり、発散光の広がりを表す相対的な大きさとして、同じくＮＡが用いられる。
【０００９】
入射光のＮＡに対して、ＯＲＬは、ＯＲＬ∝−α２／ＮＡ２（数式１）の関係を有している。すなわち、入射光のＮＡが大きい場合、所望のＯＲＬを達成するためには、角度αもＮＡに応じて大きくする必要がある。
【００１０】
しかし、角度αを大きくすると、所望のＯＲＬまでノイズを軽減出来るが、角度αを大きくするにつれ、入射光にコマ収差がより発生することにより、受光素子の受光感度が低下してしまう。それゆえ、ノイズの軽減と、受光素子の受光感度の両方を鑑みて、角度αが決定される。
【００１１】
例えば、表面入射型受光素子の受光面（表面）や、裏面入射型受光素子の反射面（裏面）の金属形状は、入射光の光軸と当該面との交点から延びる法線が回転対称軸となり、回転に対して等方的に形成されるのが一般的である。このとき、当該面の反射率は、この交点に対して、等方的に分布している。これは、受光素子に電圧が印加される際に、素子内部に発生する電界が出来る限り等方的となるのが望ましいからである。
【００１２】
受光素子の反射面の反射率が等方的に分布している場合、入射光のＮＡが光軸に対して等方的に分布しているならば、反射光のＮＡも同様に、光軸に対して等方的に分布している。すなわち、この場合、数式１に示すＮＡとは、入射光のＮＡであるが、同時に、反射光のＮＡであるとしてもよい。なお、反射光の光軸と反射面の法線方向がなす角度も、同様に角度αである。
【００１３】
従来において、受光素子の反射面の反射率分布は一般には、等方的であり、反射光のＮＡも光軸に対して等方的に分布しているか、若しくは、等方的に分布していないとしても、その反射光のＮＡ分布の異方性が問題となることは、ほとんどなかった。
【００１４】
しかしながら、受光素子の発展に伴い、受光素子の反射面の金属形状などがより複雑となり、受光素子の反射面の反射率に、異方性分布を有する場合が生じる場合がある。また、より高性能な受光モジュールを実現するために、ＯＲＬを所望の値以下となるよう受光モジュールからのノイズを軽減しつつ、受光素子のより高い受光感度が望まれることになる。
【００１５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、受光モジュール内部における信号光の反射に起因するノイズが軽減されつつ、受光モジュールにおける受光感度の低下が抑制される、受光モジュールの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（１）上記課題を解決するために、本発明に係る受光モジュールは、外部より入力される信号光を内部へ出射する光学部材と、前記光学部材より出射する出射光を収束光に変換して出射するレンズと、前記収束光の光軸に対して法線方向が斜交して配置される反射面を有するとともに、前記収束光を受光して電気信号に変換する受光素子と、を備える受光モジュールであって、前記収束光が前記反射面で反射してなる反射光の開口数は、前記反射光の光軸と垂直に交わる反射光垂直面において、前記反射光の光軸に対して異方性分布を有し、前記収束光及び前記反射光側へ前記反射面から延びる法線の向きが前記反射光垂直面に正射影される向きである第１の向きの前記反射光の開口数より、大きい開口数となる第２の向きが、前記反射光垂直面に第１の向きと異なる向きに存在する、ことを特徴とする。
【００１７】
（２）本発明に係る受光モジュールは、外部より入力される信号光を内部へ出射する光学部材と、前記光学部材より出射する出射光を収束光に変換して出射するレンズと、前記収束光の光軸に対して法線方向が斜交して配置される反射面を有するとともに、前記収束光を受光して電気信号に変換する受光素子と、を備える受光モジュールであって、前記収束光の光軸と前記反射面との交点に対する前記反射面の反射率の異方性分布と、前記収束光の前記反射面上での強度及び波面と、の関係から算出される、前記収束光が前記反射面で反射してなる反射光の開口数は、前記反射光の光軸と垂直に交わる反射光垂直面において、前記反射光の光軸に対して異方性分布を有し、前記収束光及び前記反射光側へ前記反射面から延びる法線の向きが前記反射光垂直面に正射影される向きである第１の向きの前記反射光の開口数より、大きい開口数となる第２の向きが、前記反射光垂直面に第１の向きと異なる向きに存在していてもよい。
【００１８】
（３）本発明に係る受光モジュールは、外部より入力される信号光を内部へ出射する光学部材と、前記光学部材より出射する出射光を収束光に変換して出射するレンズと、前記収束光の光軸に対して法線方向が斜交して配置される反射面を有するとともに、前記収束光を受光して電気信号に変換する受光素子と、を備える受光モジュールであって、前記収束光の光軸と前記反射面との交点に対する前記反射面の反射率の異方性分布の２次元フーリエ変換によって算出される、前記収束光が前記反射面で反射してなる反射光の開口数は、前記反射光の光軸と垂直に交わる反射光垂直面において、前記反射光の光軸に対して異方性分布を有し、前記収束光及び前記反射光側へ前記反射面から延びる法線の向きが前記反射光垂直面に正射影される向きである第１の向きの開口数より、大きい開口数となる第２の向きが、前記反射光垂直面に第１の向きと異なる向きに存在していてもよい。
【００１９】
（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の受光モジュールであって、前記反射光垂直面において、前記反射光の開口数の前記異方性分布は、前記第１の向きで極小値となっていてもよい。
【００２０】
（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の受光モジュールであって、前記受光素子は、表面入射型受光素子であり、前記反射面とは、前記受光素子の受光面であってもよい。
【００２１】
（６）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の受光モジュールであって、前記受光素子は、裏面入射型受光素子であり、前記反射面とは、前記裏面入射型受光素子の表面に配置される反射面であってもよい。
【００２２】
（７）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の受光モジュールであって、前記受光素子は、端面入射型受光素子であり、前記反射面とは、前記端面入射型受光素子の受光面であってもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、受光モジュール内部における信号光の反射に起因するノイズが軽減されつつ、受光モジュールにおける受光感度の低下が抑制される、受光モジュールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る受光モジュールの全体断面図である。
【図２Ａ】本発明の第１の実施形態に係る表面入射型ＰＩＮフォトダイオードの入射光と反射光の関係を表す概念図である。
【図２Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る表面入射型ＰＩＮフォトダイオードの入射光と反射光の関係を表す概念図である。
【図３】入射光傾斜角である角度αに対する受光素子のＯＲＬを表す図である。
【図４】入射光傾斜角である角度αに対する受光素子の受光感度を表す図である。
【図５Ａ】本発明の第２の実施形態に係る裏面入射型ＰＩＮフォトダイオードの入射光と反射光の関係を表す概念図である。
【図５Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る裏面入射型ＰＩＮフォトダイオードの入射光と反射光の関係を表す概念図である。
【図６Ａ】本発明の第３の実施形態に係る端面入射型ＰＩＮフォトダイオードの入射光と反射光の関係を表す概念図である。
【図６Ｂ】本発明の第３の実施形態に係る端面入射型ＰＩＮフォトダイオードの入射光と反射光の関係を表す概念図である。
【図７Ａ】本発明の第４の実施形態に係る受光素子の反射面の反射率分布の一例を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示す反射率分布を２次元フーリエ変換した像を示す像である。
【図７Ｃ】反射面の反射率が図７Ａに示す分布を有する場合に望ましい第１の向きを示す図である。
【図８Ａ】本発明の第４の実施形態に係る受光素子の反射面の反射率分布の他の一例を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示す反射率分布を２次元フーリエ変換した像を示す像である。
【図８Ｃ】反射面の反射率が図８Ａに示す分布を有する場合に望ましい第１の向きを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態に係る受光モジュールについて、図面を参照しながら以下に説明する。ただし、以下に示す図は、あくまで、各実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【００２６】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る受光モジュールについて説明する。当該実施形態に係る受光モジュール１は、光ファイバ２と、集光レンズ３と、受光素子として表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４を備えている。
【００２７】
図１は、当該実施形態に係る受光モジュール１の全体断面図である。光ファイバ２は、外部より入力される信号光を、受光モジュール１の内部へ出射する光学部材である。なお、光学部材は、受光モジュール１の外部からの信号光を内部へ伝達するものであれば、光ファイバ２に限定されることはなく、他の光学部材であってもよい。光ファイバ２の先端形状により、光ファイバ２からの出射光の光軸は、光ファイバ２の中心軸に対して平行ではなく、傾斜している。ここで、出射光の光軸とは、進行する光束の中心となる仮想的な光線を指している。以下、本明細書における出射光及び入射光などの光軸とは、この定義によって用いられる。
【００２８】
光ファイバ２からの出射光は、集光レンズ３によって、集光する収束光に変換され、集光レンズ３は、収束光を表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４へ出射する。このとき、光ファイバ２からの出射光の光軸が、集光レンズ３の中心軸に対して傾斜しているので、集光レンズ３からの出射光も、同様に、集光レンズ３の中心軸に対して傾斜している。ここで、レンズの中心軸とは、レンズの回転対称軸を指している。以下、本明細書におけるレンズの中心軸とは、この定義によって用いられる。
【００２９】
受光モジュール１には、さらに、ステム７が備えられ、受光素子サブマウント５がステム７上に配置され、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４は受光素子サブマウント５上に配置されている。集光レンズ３からの出射光は、前述の通り、収束光であり、該出射光の光軸は、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の受光面（表面）を貫いている。言いかえると、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の受光面と、集光レンズ３からの出射光の光軸との交点が、受光面の所望の領域に含まれるよう調整され、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４が配置される。
【００３０】
図１に示す通り、集光レンズ３からの出射光の光軸に対して、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の受光面の法線方向が斜交するよう、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４は配置されている。そして、集光レンズ３からの出射光が表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の受光面で反射されるとき、その反射光の光軸は、集光レンズ３の中心軸に対して傾斜しており、同様に、光ファイバ２の中心軸に対しても傾斜している。よって、受光モジュール１の外部から入力される信号光が、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の受光面で反射される反射光が、再び、光ファイバ２に戻り、受光モジュール１を備える装置においてノイズとして発生されるのが抑制されている。
【００３１】
集光レンズ３からの出射光の一部は、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の受光面を通過して、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の内部へ進行し、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４は、この光を受光し、電気信号に変換する。受光モジュール１のステム７には、信号増幅用ＩＣ６が配置され、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４から出力された電気信号を増幅する。表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４で変換された電気信号は、受光モジュール１のステム７の反対側に配置される電気信号出力ピン８より、外部へ出力される。
【００３２】
図２Ａ及び図２Ｂは、当該実施形態に係る表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の入射光１１と反射光１２の関係を表す概念図である。集光レンズ３からの出射光が、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の受光面に入射する。よって、入射光１１とは、集光レンズ３からの出射光を指している。入射光１１の一部は、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の受光面で反射される。よって、受光面は反射面としても作用している。また、反射光１２とは、入射光１１が表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の反射面で反射される光を指している。図２Ａは、入射光１１及び反射光１２を、受光素子サブマウント５上に配置されている表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の側方より見る場合を表しており、図２Ｂは、同様に、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の上方より見る場合を表している。図２Ａには、入射光１１の光軸と表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４との交点より伸びる法線が、法線１５として示されている。ここで、入射光１１の光軸１３と法線１５とがなす角、及び、反射光１２の光軸１４と法線１５とがなす角は、ともに、角度α［ｒａｄ］である。
【００３３】
前述の通り、入射光１１は、集光レンズ３より集光される収束光である。図２Ａには、入射光１１の光軸が、光軸１３として示されている。実際には、集光レンズ３よりコマ収差が生じており、入射光１１のＮＡは、入射光１１の光軸１３に対して、異方性分布を有することとなるが、説明をより簡単とするために、集光レンズ３による収差は無視できるほど小さいとし、入射光１１のＮＡは、入射光１１の光軸１３に対して、等方的であるものとする。入射光１１の光軸１３に垂直な面を、入射光垂直面とすると、入射光１１の光軸１３は、回転対称軸となっており、入射光垂直面において、入射光１１のＮＡは、光軸１３を中心とする回転に対して、一定となる分布（等方性分布）を有している。よって、入射光垂直面における入射光１１の強度分布は、光軸１３を中心として、円形状をしている。図２Ａ及び図２Ｂには、入射光１１のＮＡが表されている。入射光垂直面は、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の反射面に対して、平行ではなく傾斜しているが、図２Ｂにおいて、簡単のために、入射光垂直面を光軸１３の方向より見ているように示しており、入射光１１のＮＡが円形状に表されている。
【００３４】
当該実施形態に係る表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の反射面２１（受光面）は、反射面の反射率に、異方性分布を有している。すなわち、図２Ｂに示す通り、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の反射面２１において、高い反射率を有する領域である高反射率領域２２が、図中横方向に延びる楕円形状（長軸が図中横方向）をしており、高反射率領域２２以外の領域の反射率は高反射率領域２２の反射率より十分に低い反射率となっている。ここで、入射光１１の光軸１３は、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の反射面２１と、高反射率領域２２の中心（長軸方向と短軸方向の交点）で交わっているものとする。
【００３５】
反射面の反射率が、異方性分布を有している場合、反射光のＮＡは、光軸に対して異方性分布を有する。すなわち、反射面における反射光の強度分布を近視野像（ＮＦＰ）として、反射面における回折現象により、反射面より遠方における反射光の強度分布は遠視野像（ＦＦＰ）となる。図２Ｂには、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の反射面２１における入射光１１が照射する領域が、破線で示す円形状の領域として示されており、該領域の中に、反射面２１の高反射率領域２２は含まれており、反射面２１における反射光１２の強度分布、すなわち、ＮＦＰの強度分布は、反射面２１の高反射率領域２２の形状に対応しており、図中横方向に延びる楕円形状に分布している。
【００３６】
これに対して、反射面２１より遠方における反射光１２の強度分布、すなわち、ＦＦＰの強度分布は、図２Ｂに示す通り、図中縦方向に延びる楕円形状（長軸が図中縦方向）に分布しており、反射光１２のＮＡ分布に対応している。反射光１２の光軸１４に垂直な面を、反射光垂直面とする。入射光垂直面と同様に、反射光垂直面は、反射面２１に対して、平行ではなく傾斜しているが、図２Ｂにおいて、簡単のために、反射光垂直面を光軸１４の方向より見ているように示しており、反射光１２のＮＡが図中縦方向に延びる楕円形状に表されている。
【００３７】
反射面２１の法線方向には、反射面２１を境に互いに逆向きに延びる２つの向きが存在するが、そのうち、入射光及び反射光側へ反射面から延びる法線の向きを考える。すなわち、該法線の向きは、図２Ａに示す、図中の法線１５の上向きである。該法線の向きが反射光垂直面に正射影される向きを第１の向きとすると、第１の向きは、反射光垂直面において、入射光１１及び反射光１２からなる入射面と反射光垂直面とが交わる方向であって、入射光１１及び反射光１２が進行するに伴い、入射面が延びる向きに対向する向きである。反射面２１の法線方向よりみると、入射光１１及び反射光１２が進行する向き（入射面が延びる向き）は、図２Ｂの右向きであり、第１の向きは、それに対向する向きであり、図２Ｂの左向きである。
【００３８】
本発明の特徴は、入射光及び反射光に対する受光素子の反射面の配置にある。反射光のＮＡが反射光の光軸に対して異方性分布を有している場合に、入射光及び反射光側へ反射面から延びる法線の向きが反射光垂直面に正射影される向き（第１の向き）のＮＡが小さくなるよう、受光素子の反射面が配置されるのが望ましい。少なくとも、第１の向きのＮＡより大きいＮＡとなる第２の向きが、反射光垂直面に第１の向きとは異なる向きに存在している必要がある。反射光のＮＡが、第１の向きで、極小値（又は、最小値）を取るのが、さらに望ましい。実際には、プロセス上の誤差が生じるので、反射光のＮＡが、第１の向きからプロセス上の誤差の範囲内にある向きのいずれか、極小値（又は、最小値）を取っていればよい。
【００３９】
入射光が収束光である場合、反射光は発散光となるが、反射光のうち、第１の向きに発散していく光は、受光モジュールの光学部材へ戻る光の強度上昇、すなわち、ノイズの上昇に、大きく寄与する。第１の向きのＮＡが小さい場合、上述の数式１に示す通り、所望のＯＲＬを得るために必要な角度αは小さくなり、受光モジュール内部における信号光の反射に起因するノイズを軽減しつつ、受光モジュールにおける受光感度の低下が抑制される。
【００４０】
例えば、当該実施形態に係る表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の場合、反射光１２のＮＡは、図２Ｂに示す通り、図中縦方向に延びる楕円形状をしている。反射光垂直面において、入射面との交線に対して垂直な向き、すなわち、図２Ｂの図中上向き又は下向きを第２の向きとする。第１の向きのＮＡ（楕円の短軸）は、第２の向きのＮＡ（楕円の長軸）より小さくなっている。そして、図２Ｂに示す反射面２１を９０度回転させて、反射面２１の高反射率領域２２が図中縦方向に延びる楕円形状とする場合より、反射光１２の図中左向きのＮＡを小さくすることが出来る。
【００４１】
反射面より遠方における反射光の強度分布はＦＦＰであり、これは、反射面における反射光の強度分布（ＮＦＰ）に基づいている。ＦＦＰは、ＮＦＰから２次元フーリエ変換により算出することができる。
【００４２】
入射光のＮＡが光軸に対して等方性分布を有しており、受光素子の反射面に入射光が照射する領域が、反射面の高反射領域より大きい場合、反射面における反射光の強度分布（ＮＦＰ）は、受光素子の反射面の反射率分布に基づいている。よって、受光素子の反射面の反射率が、入射光の光軸と反射面との交点を中心とする回転に対して、異方性分布を有している場合、反射面における反射光の強度分布（ＮＦＰ）は、その反射率の異方性分布に対応している。よって、反射光のＮＡの異方性分布は、反射面の反射率の異方性分布に基づいていることとなる。さらに、ＦＦＰは、ＮＦＰを略２次元フーリエ変換した像であるので、反射光のＮＡ分布は、反射面の反射率の異方性分布の２次元フーリエ変換によって算出される。
【００４３】
この場合、受光素子の反射面における反射率の異方性分布を、入射光の光軸と反射面との交点に対して、２次元フーリエ変換した像を算出し、その像の強度分布が、反射光のＮＡ分布に対応しているので、像の中心からの強度（絶対値）が小さい向きが第１の向きとなるように、受光素子の反射面を配置すればよい。
【００４４】
反射面における反射光の強度分布（ＮＦＰ）は、受光素子の反射面に入射光が照射する領域にある反射率分布に対応している。それゆえ、反射光の高反射領域の一部が、入射光の照射領域の外側にも存在している場合であっても、ＮＦＰは、受光面の反射面に入射光が照射する領域にある反射率分布に対応しており、反射面より遠方の反射光の強度分布（ＦＦＰ）は、この領域の反射率分布を２次元フーリエ変換した像に対応しており、反射光のＮＡの異方性分布もこの像に対応している。これは反射面の反射率分布が連続的に変化する場合も同様である。また、入射光のＮＡが異方性分布を有する場合、及び入射光が反射面において無視できない程の大きさの波面収差を持つ場合、ＮＦＰは、入射光の反射面での強度及び位相の分布に対し、その対応する反射率分布を掛け合わせた結果得られる強度分布となる。よって、反射光のＮＡの異方性分布は、反射面の反射率の異方性分布と、入射光の反射面での強度及び波面と、の関係から算出される。
【００４５】
この場合、受光素子の反射面における反射率の異方性分布と、入射光の反射面での強度及び波面と、の関係から、反射光のＮＡ分布を算出し、反射光のＮＡが小さい向きが第１の向きとなるように、受光素子の反射面を配置すればよい。ただし、光電変換効率を良くする為に入射光の反射面での波面収差は非常に小さく、また入射光の強度分布はほぼ等方的な略ガウス分布であるのが一般的なので、多くの場合においては反射面の反射率の異方性分布の２次元フーリエ変換により、反射光のＮＡの異方性分布を近似的に算出することができる。
【００４６】
なお、ここで、当該実施形態に係る表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４において、反射面とは、主に、受光面を指すが、素子の構造によっては、他の反射面についても、本発明を適用することが可能である。
【００４７】
次に、受光モジュール内部における信号光の反射に起因するノイズを軽減しつつ、受光モジュールにおける受光感度の低下が抑制される角度αについて説明する。
【００４８】
本発明に係る受光素子の反射面の反射率は、異方性分布を有している。この場合、例えば、反射面の一部の領域が高い反射率となっているので、反射光のＮＡは入射光のＮＡと比較して大きくなる。さらに、前述の通り、反射面の反射率が異方性分布を有しているので、反射光のＮＡも異方性分布を有することとなる。
【００４９】
例えば、１Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速の伝送速度で信号を伝送する高速・広帯域な受光モジュールに対して、ＩＴＵ−Ｔ（国際標準規格）では、受光モジュールの入射端でのＯＲＬを−２７ｄＢ以下となるよう規定されている。表面入射型受光素子の反射面の反射率が一様に分布している場合は、反射光のＮＡは、入射光のＮＡと等しい。この場合、反射面の反射率にもよるが、一般には、数式１に示す関係により、α＞ＮＡを満たすと、ＯＲＬの規定値を満たしている。
【００５０】
これに対して、反射光のＮＡが、入射光のＮＡより大きくなる場合、同じ角度αに対して、ＯＲＬは上昇し、ＯＲＬの規定値を満たす入射光の傾斜角である角度αは大きくなる。すなわち、角度αに対するＯＲＬは、入射光のＮＡと反射光のＮＡの大小関係に依存する。
【００５１】
図３は、入射光傾斜角である角度αに対する受光素子のＯＲＬを表す図である。横軸は、任意の単位による角度αを、縦軸は、ＯＲＬ［ｄＢ］を示している。図３には、反射光のＮＡが入射光のＮＡと等しい場合について、曲線３１を用いて、反射光のＮＡが入射光のＮＡの２倍である場合について、曲線３２を用いて、示されている。
【００５２】
図３にα１として示す角度αにおいて、反射光のＮＡと入射光のＮＡが等しい場合を示す曲線３１では、ＯＲＬが−２０ｄＢとなるが、反射光のＮＡが入射光のＮＡの２倍である場合を示す曲線３２では、ＯＲＬが−１０ｄＢと、大幅に上昇しており、特性が劣化している。反射面の反射率が例えば一般的な値である数％程度であるとき、反射光のＮＡと入射光のＮＡが等しい場合、角度αが入射光のＮＡと同程度であれば、ＯＲＬが−３０ｄＢ以下となり、規定値以下である。この角度αは、図３にα２として示されている。しかし、反射光のＮＡが入射光のＮＡの２倍である場合、角度αをα２より更に大きくしなければ、ＯＲＬを規定値以下にすることが出来ない。
【００５３】
反射光のＮＡが大きい場合であっても、それに応じて、角度αを大きくすればＯＲＬを規定値以下にすることは可能であるが、角度αを大きくすると、集光レンズ３からの出射光にコマ収差などが発生することによって、受光素子の受光感度が低下するという問題が生じる。
【００５４】
図４は、入射光傾斜角である角度αに対する受光素子の受光感度（Receiving Sensitivity）を表す図である。横軸は、任意の単位による角度αを、縦軸は、受光感度［ｄＢ］を示している。図４には、受光素子の受光径が、入射光の照射領域の半径の２倍程度の場合を示しており、図４に示す角度αに対する受光感度は、受光モジュールとしては一般的な関係を示している。図４には、合焦点にフォーカスされる場合について曲線３３を用いて、２０μｍデフォーカスされる場合について曲線３４を用いて、４０μｍデフォーカスされる場合について曲線３５を用いて、示されている。
【００５５】
図４にα３として示す角度αの値は、入射光のＮＡと同程度に小さいものであり、角度α＝０となる垂直入射と比較して、曲線３３乃至曲線３５のいずれも受光感度の低下は非常に小さいが、角度αが大きくなるにつれて、受光感度はより低下していく。合焦点にフォーカスされる場合を示す曲線３３と比較して、特に、合焦点からデフォーカスされる場合を示す曲線３４及び曲線３５において、角度αが大きい値となった場合の受光感度の低下はより大きくなる。そして、よりデフォーカスされる場合に、受光感度の低下はより著しい。
【００５６】
４０μｍデフォーカスされる場合を示す曲線３５の角度αに対する受光感度［ｄＢ］の低下は、合焦点にフォーカスされる場合を示す曲線３３と比較して、おおよそ４倍となっており、角度αが大きくなると、受光感度を良好に保つ幾何的な許容公差が大幅に縮小することを表している。
【００５７】
受光素子の反射面の反射率に異方性分布を有する場合、反射光のＮＡは、反射率が等方的である場合よりも大きくなり、所望のＯＲＬを得るために必要な角度αはより大きくなる。しかし、反射光のＮＡの異方性分布を考慮して、第１の向きのＮＡが小さくなるように、受光素子の反射面を配置することにより、より小さい角度αで、所望のＯＲＬに達成することが出来、それにより、受光素子の受光感度の低下も抑制することが出来る。
【００５８】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る受光モジュール１の基本的な構成は、第１の実施形態に係る受光モジュール１と同じである。当該実施形態に係る受光モジュール１において、受光モジュール１に備えられる受光素子が裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９である点が、第１の実施形態と主に異なっている。
【００５９】
図５Ａ及び図５Ｂは、当該実施形態に係る裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の入射光１１と反射光１２の関係を表す概念図である。集光レンズ３からの出射光が、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の裏面に入射する。すなわち、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の裏面とは、図５Ａに示す裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の図中上側の面を指している。出射光の多くは、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の裏面より、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の内部へ進行し、光吸収層にて電気信号に変換される。裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の表面、すなわち、図５Ａに示す裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の図中下側の面には、反射面２３が設けられている。裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の内部を通過する光は、反射面２３で反射される。ここで、入射光１１とは反射面２３に入射する光を指しており、反射光１２とは、反射面２３から反射される光を指している。
【００６０】
反射光１２の一部は、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の光吸収層で再び吸収され、残りの反射光１２が、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９より出射される。この光が、光ファイバ２へ戻ることにより、ノイズが発生する。図５Ａ及び図５Ｂは、図２Ａ及び図２Ｂと同様に、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の側方及び上方より見る場合を、それぞれ表している。ここで、入射光１１の光軸１３と法線１５とがなす角、及び、反射光１２の光軸１４と法線１５とがなす角は、ともに、角度α［ｒａｄ］である。
【００６１】
当該実施形態に係る裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の反射面２３は、第１の実施形態に係る表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の反射面２１と同様に、反射面２３の反射率に、異方性分布を有しており、図５Ｂに示す通り、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の反射面２３において、高い反射率を有する領域である高反射率領域２４が、図中横方向に延びる楕円形状をしており、高反射率領域２４以外の領域の反射率は高反射率領域２４の反射率より十分に低い反射率となっている。ここで、入射光１１の光軸１３は、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の反射面２３と、高反射率領域２４の中心で交わっているものとする。
【００６２】
第１の実施形態と同様に、反射光１２のＮＡは、反射光１２の光軸１４に対して異方性分布を有しており、図５Ｂの縦方向に延びる楕円形状をしている。よって、図５Ｂに示す通り、第１の向きのＮＡが小さくなるよう、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の反射面２３が配置されるのが望ましい。
【００６３】
裏面入射型受光素子の反射面の反射率が一様に分布している場合は、反射光のＮＡは、入射光のＮＡと等しい。この場合、素子の吸収層での吸収率や反射面の反射率にもよるが、表面入射型受光素子と同様に、一般には、数式１に示す関係により、α＞ＮＡを満たすと、ＯＲＬの規定値を満たしている。
【００６４】
これに対して、裏面入射型受光素子の反射面の反射率に異方性分布を有する場合も、同様に、反射光のＮＡは、反射率が等方的である場合よりも大きくなり、所望のＯＲＬを得るために必要な角度αはより大きくなる。しかし、反射光のＮＡの異方性分布を考慮して、第１の向きのＮＡが小さくなるように、受光素子の反射面を配置することにより、より小さい角度αで、所望のＯＲＬに達成することが出来、それにより、受光素子の受光感度の低下も抑制することが出来る。
【００６５】
なお、当該実施形態に係る裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９において、反射面とは、主に、図５Ａに示す裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の下面に位置する反射面２３を指す。裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の裏面（図５Ａに示す上面）である受光面においても、光の反射はあり得る。受光面の反射率は、一般に、反射面２３の高反射率領域２４の反射率と比べて、非常に小さく、ノイズの主な要因は、反射面２３における反射光１２である。しかしながら、裏面入射型受光素子の受光面において、反射率が異方性分布を有しており、受光面の反射光が大きい場合には、受光面を反射面として、本発明を適用してもよい。
【００６６】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る受光モジュール１の基本的な構成は、第１の実施形態に係る受光モジュール１と同じである。当該実施形態に係る受光モジュール１において、受光モジュール１に備えられる受光素子が端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０である点が、第１の実施形態と主に異なっている。
【００６７】
図６Ａ及び図６Ｂは、当該実施形態に係る端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の入射光１１と反射光１２の関係を表す概念図である。集光レンズ３からの出射光が、端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の端面（側面）に入射する。すなわち、端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の受光面は、端面である。集光レンズ３からの出射光がは端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の受光面に入射し、受光面を通過し、電気信号に変換される。また、出射光の一部は、端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の受光面で反射されるので、受光面は反射面２５としても作用している。入射光１１とは反射面２５に入射する光を指しており、反射光１２とは、反射面２５から反射される光を指している。反射光１２が光ファイバ２へ戻ることにより、ノイズが発生する。図６Ａ及び図６Ｂは、ともに、端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の側方より見る場合を表しており、図６Ａは、入射光１１及び反射光１２からなる入射面に垂直な方向から、図６Ｂは、反射面２５の法線１５の方向から、それぞれ見る場合を表している。ここで、入射光１１の光軸１３と法線１５とがなす角、及び、反射光１２の光軸１４と法線１５とがなす角は、ともに、角度α［ｒａｄ］である。
【００６８】
当該実施形態に係る端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の反射面２５は、第１の実施形態に係る表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の反射面２１と同様に、反射面２５の反射率に、異方性分布を有しており、図６Ｂに示す通り、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の反射面２５において、高い反射率を有する領域である高反射率領域２６が、図中縦方向に延びる楕円形状をしており、高反射率領域２６以外の領域の反射率は高反射率領域２６の反射率より十分に低い反射率となっている。ここで、入射光１１の光軸１３は、端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の反射面２５と、高反射率領域２６の中心で交わっているものとする。
【００６９】
反射光１２のＮＡは、反射光１２の光軸１４に対して異方性分布を有しており、図６Ｂの横方向に延びる楕円形状をしている。よって、図６Ｂに示す通り、第１の向きのＮＡが小さくなるよう、端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の反射面２５が配置されるのが望ましい。
【００７０】
端面入射型受光素子の反射面の反射率が一様に分布している場合は、反射光のＮＡは、入射光のＮＡと等しい。この場合、反射面の反射率にもよるが、表面入射型受光素子と同様に、一般には、数式１に示す関係により、α＞ＮＡを満たすと、ＯＲＬの規定値を満たしている。
【００７１】
これに対して、端面入射型受光素子の反射面の反射率に異方性分布を有する場合も、同様に、反射光のＮＡは、反射率が等方的である場合よりも大きくなり、所望のＯＲＬを得るために必要な角度αはより大きくなる。
【００７２】
端面入射型受光素子においても、角度αが大きくなると、入射光と、端面入射型受光素子内部の導波路との結合効率ηが低下するのに伴い、受光感度も低下し、特性が劣化する。入射光と導波路との結合効率ηは、角度αが小さい場合においては、η∝−α２／ＮＡ２（数式２）の関係を有しており、端面入射型受光素子において、ＯＲＬ及び結合効率ηは、ほぼ同じ割合で低下することとなる。
【００７３】
しかし、反射光のＮＡの異方性分布を考慮して、第１の向きのＮＡが小さくなるように、受光素子の反射面を配置することにより、より小さい角度αで、所望のＯＲＬに達成することが出来、それにより、受光素子の受光感度の低下も抑制することが出来る。
【００７４】
なお、当該実施形態に係る端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０において、反射面とは、主に、端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の受光面である反射面２５を指すが、素子の構造によっては、他の反射面についても、本発明を適用することが可能である。
【００７５】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る受光モジュール１の基本的な構成は、第１乃至第３の実施形態に係る受光モジュール１のいずれかと同じである。すなわち、受光素子は、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４であっても、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９であっても、端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０であってもよい。第１乃至第３の実施形態において、受光素子の反射面の高反射率領域が楕円形状をしている場合において示したが、当該実施形態に係る受光モジュール１において、受光素子の反射面の反射率分布が、第１乃至第３の実施形態と主に異なっている。
【００７６】
図７Ａは、当該実施形態に係る受光素子の反射面の反射率分布の一例を示す図である。例えば、図７Ａに示すように、反射面において、高反射率領域２７が、十字形状をしており、高反射率領域２７以外の領域の反射率は高反射率領域２７の反射率より十分に低い反射率となっている。
【００７７】
受光素子の反射面に入射光が照射する領域にある反射率分布が、図７Ａに示す分布をしている場合、反射面における反射光の強度分布（ＮＦＰ）は、図７Ａに示す分布に対応している。それゆえ、反射面より遠方の反射光の強度分布（ＦＦＰ）は、図７Ａに示す分布を２次元フーリエ変換した像に対応しており、反射光のＮＡの異方性分布もこの像に対応している。
【００７８】
図７Ｂは、図７Ａに示す反射率分布を２次元フーリエ変換した像を示す像である。図７Ｂに示す２次元フーリエ変換像は、中心付近の振幅が大きく、中心から十字形の４つの向きそれぞれに進むのに伴い、振幅が小さくなっている。
【００７９】
反射光のＮＡ分布も、図７Ｂに示す像に対応しているので、反射光のＮＡの小さい向きを選択し、その向きが第１の向きとなるよう、受光素子の反射面を配置すればよい。
【００８０】
図７Ｃは、反射面の反射率が図７Ａに示す分布を有する場合に望ましい第１の向きを示す図である。前述した通り、反射光の光軸に対して反射光のＮＡが異方性分布を有する場合、反射光のＮＡの異方性分布は、図７Ｂに示す２次元フーリエ変換像に対応しており、図７Ｂに示す２次元フーリエ変換像の中心から、像の強度（絶対値）が小さい向きを第１の向きに選ぶとよい。図７Ｃには、第１の向きとして望ましい向きが、４つ示されている。これらの向きのいずれかを第１の向きとするのが、最も望ましく、プロセス上の誤差を鑑みて、これらの向きのいずれかの向きの近傍が第１の向きであってもよい。
【００８１】
図８Ａは、当該実施形態に係る反射面の反射率分布の他の一例を示す図である。例えば、図８Ａに示すように、反射面において、高反射率領域２７が、正三角形の形状をしていてもよい。この場合、高反射率領域２７以外の領域の反射率は高反射率領域２７の反射率より十分に低い反射率となっている。
【００８２】
図８Ｂは、図８Ａに示す反射率分布を２次元フーリエ変換した像を示す像である。図８Ｂに示す２次元フーリエ変換像は、中心付近の振幅が大きく、中心から６つの向きそれぞれに進むのに伴い、振幅が小さくなっている。
【００８３】
反射光のＮＡの異方性分布も、図８Ｂに示す像に対応しているので、反射光のＮＡの小さい向きを選択し、その向きが第１の向きとなるよう、受光素子の反射面を配置すればよい。
【００８４】
図８Ｃは、反射面の反射率が図８Ａに示す分布を有する場合に望ましい第１の向きを示す図である。図８Ｃには、第１の向きとして望ましい向きが、６つ示されている。
【００８５】
なお、以上、本発明の実施形態に係る受光モジュールについて説明した。以上の説明において、受光素子として、ＰＩＮフォトダイオードを例に説明したが、ＰＩＮフォトダイオードに限定されることはなく、アバランシェホトダイオード（Avalanche Photodiode：ＡＰＤ）など、他の受光素子であっても良いのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００８６】
１ 受光モジュール、２ 光ファイバ、３ 集光レンズ、４ 表面入射型ＰＩＮフォトダイオード、５ 受光素子サブマウント、６ 信号増幅用ＩＣ、７ ステム、８ 電気信号出力ピン、９ 裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード、１０ 端面入射型ＰＩＮフォトダイオード、１１ 入射光、１２ 反射光、１３，１４ 光軸、１５ 法線、２１，２３，２５ 反射面、２２，２４，２６，２７ 高反射率領域、３１，３２，３３，３４，３５ 曲線。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受光モジュールに関し、特に、受光モジュール内部における信号光の反射に起因するノイズの軽減と、受光モジュールにおける受光感度の低下抑制に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、光通信装置などに備えられる受光モジュールは、光ファイバ等の光学部材と、レンズと、受光素子とを備えるのが一般的である。ここで、光学部材は、受光モジュールの外部から入力される信号光を受光モジュール内部へ出射している。レンズは、光学部材より出射する出射光を収束光に変換し、受光素子へ出射している。さらに、受光素子は、レンズより出射する出射光を受光して電気信号に変換している。
【０００３】
しかしながら、受光モジュールの内部に入射する信号光の一部が、受光モジュールの内部で反射され、その反射光が光学部材に戻ることで、受光モジュールが備えられる装置においてノイズの原因になり得る。
【０００４】
信号光の反射に起因するノイズを抑制する従来技術が、特許文献１乃至特許文献３に記載されている。特許文献１及び特許文献２では、光ファイバより入射する入射光の光軸に対して、受光素子を搭載するサブマウントの面が傾斜しているサブマウントを配置することにより、受光素子の受光面からの反射光が光ファイバに戻ることを抑制している。また、特許文献３には、受光素子の受光面を加工して傾斜をつけることにより、反射光が光ファイバに戻ることを抑制している。
【０００５】
例えば、受光素子が反射面を有しており、信号光の反射面における反射に起因するノイズを軽減するために、受光素子への入射光の光軸に対して、受光素子の反射面の法線方向が斜交するよう受光素子が配置される。ここで、入射光の光軸と反射面の法線方向とがなす角度（入射光傾斜角）を角度α［ｒａｄ］とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−１８６３２１号公報
【特許文献２】特開平８−９４８８７号公報
【特許文献３】特開平５−１５２５９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光反射減衰量（Optical Return Loss：以下、ＯＲＬと記す）は、受光モジュール内部での信号光に起因するノイズと信号光のＳ／Ｎ比に対応している。ＯＲＬを軽減するためには、角度αを大きくすればよい。
【０００８】
受光素子への入射光は、前述の通り、レンズによって集光されている収束光である。収束光の集まり具合を表す相対的な大きさとして、開口数（Numerical Aperture：以下、ＮＡと記す）が用いられる。そして、入射光が収束光である場合、反射面によって反射される反射光は、反射面より遠くに進むにつれて広がる発散光であり、発散光の広がりを表す相対的な大きさとして、同じくＮＡが用いられる。
【０００９】
入射光のＮＡに対して、ＯＲＬは、ＯＲＬ∝−α２／ＮＡ２（数式１）の関係を有している。すなわち、入射光のＮＡが大きい場合、所望のＯＲＬを達成するためには、角度αもＮＡに応じて大きくする必要がある。
【００１０】
しかし、角度αを大きくすると、所望のＯＲＬまでノイズを軽減出来るが、角度αを大きくするにつれ、入射光にコマ収差がより発生することにより、受光素子の受光感度が低下してしまう。それゆえ、ノイズの軽減と、受光素子の受光感度の両方を鑑みて、角度αが決定される。
【００１１】
例えば、表面入射型受光素子の受光面（表面）や、裏面入射型受光素子の反射面（裏面）の金属形状は、入射光の光軸と当該面との交点から延びる法線が回転対称軸となり、回転に対して等方的に形成されるのが一般的である。このとき、当該面の反射率は、この交点に対して、等方的に分布している。これは、受光素子に電圧が印加される際に、素子内部に発生する電界が出来る限り等方的となるのが望ましいからである。
【００１２】
受光素子の反射面の反射率が等方的に分布している場合、入射光のＮＡが光軸に対して等方的に分布しているならば、反射光のＮＡも同様に、光軸に対して等方的に分布している。すなわち、この場合、数式１に示すＮＡとは、入射光のＮＡであるが、同時に、反射光のＮＡであるとしてもよい。なお、反射光の光軸と反射面の法線方向がなす角度も、同様に角度αである。
【００１３】
従来において、受光素子の反射面の反射率分布は一般には、等方的であり、反射光のＮＡも光軸に対して等方的に分布しているか、若しくは、等方的に分布していないとしても、その反射光のＮＡ分布の異方性が問題となることは、ほとんどなかった。
【００１４】
しかしながら、受光素子の発展に伴い、受光素子の反射面の金属形状などがより複雑となり、受光素子の反射面の反射率に、異方性分布を有する場合が生じる場合がある。また、より高性能な受光モジュールを実現するために、ＯＲＬを所望の値以下となるよう受光モジュールからのノイズを軽減しつつ、受光素子のより高い受光感度が望まれることになる。
【００１５】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、受光モジュール内部における信号光の反射に起因するノイズが軽減されつつ、受光モジュールにおける受光感度の低下が抑制される、受光モジュールの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
（１）上記課題を解決するために、本発明に係る受光モジュールは、外部より入力される信号光を内部へ出射する光学部材と、前記光学部材より出射する出射光を収束光に変換して出射するレンズと、前記収束光の光軸に対して法線方向が斜交して配置される反射面を有するとともに、前記収束光を受光して電気信号に変換する受光素子と、を備える受光モジュールであって、前記収束光が前記反射面で反射してなる反射光の開口数は、前記反射光の光軸と垂直に交わる反射光垂直面において、前記反射光の光軸に対して異方性分布を有し、前記収束光及び前記反射光側へ前記反射面から延びる法線の向きが前記反射光垂直面に正射影される向きである第１の向きの前記反射光の開口数より、大きい開口数となる第２の向きが、前記反射光垂直面に第１の向きと異なる向きに存在する、ことを特徴とする。
【００１７】
（２）本発明に係る受光モジュールは、外部より入力される信号光を内部へ出射する光学部材と、前記光学部材より出射する出射光を収束光に変換して出射するレンズと、前記収束光の光軸に対して法線方向が斜交して配置される反射面を有するとともに、前記収束光を受光して電気信号に変換する受光素子と、を備える受光モジュールであって、前記収束光の光軸と前記反射面との交点に対する前記反射面の反射率の異方性分布と、前記収束光の前記反射面上での強度及び波面と、の関係から算出される、前記収束光が前記反射面で反射してなる反射光の開口数は、前記反射光の光軸と垂直に交わる反射光垂直面において、前記反射光の光軸に対して異方性分布を有し、前記収束光及び前記反射光側へ前記反射面から延びる法線の向きが前記反射光垂直面に正射影される向きである第１の向きの前記反射光の開口数より、大きい開口数となる第２の向きが、前記反射光垂直面に第１の向きと異なる向きに存在していてもよい。
【００１８】
（３）本発明に係る受光モジュールは、外部より入力される信号光を内部へ出射する光学部材と、前記光学部材より出射する出射光を収束光に変換して出射するレンズと、前記収束光の光軸に対して法線方向が斜交して配置される反射面を有するとともに、前記収束光を受光して電気信号に変換する受光素子と、を備える受光モジュールであって、前記収束光の光軸と前記反射面との交点に対する前記反射面の反射率の異方性分布の２次元フーリエ変換によって算出される、前記収束光が前記反射面で反射してなる反射光の開口数は、前記反射光の光軸と垂直に交わる反射光垂直面において、前記反射光の光軸に対して異方性分布を有し、前記収束光及び前記反射光側へ前記反射面から延びる法線の向きが前記反射光垂直面に正射影される向きである第１の向きの開口数より、大きい開口数となる第２の向きが、前記反射光垂直面に第１の向きと異なる向きに存在していてもよい。
【００１９】
（４）上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の受光モジュールであって、前記反射光垂直面において、前記反射光の開口数の前記異方性分布は、前記第１の向きで極小値となっていてもよい。
【００２０】
（５）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の受光モジュールであって、前記受光素子は、表面入射型受光素子であり、前記反射面とは、前記受光素子の受光面であってもよい。
【００２１】
（６）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の受光モジュールであって、前記受光素子は、裏面入射型受光素子であり、前記反射面とは、前記裏面入射型受光素子の表面に配置される反射面であってもよい。
【００２２】
（７）上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の受光モジュールであって、前記受光素子は、端面入射型受光素子であり、前記反射面とは、前記端面入射型受光素子の受光面であってもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、受光モジュール内部における信号光の反射に起因するノイズが軽減されつつ、受光モジュールにおける受光感度の低下が抑制される、受光モジュールが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る受光モジュールの全体断面図である。
【図２Ａ】本発明の第１の実施形態に係る表面入射型ＰＩＮフォトダイオードの入射光と反射光の関係を表す概念図である。
【図２Ｂ】本発明の第１の実施形態に係る表面入射型ＰＩＮフォトダイオードの入射光と反射光の関係を表す概念図である。
【図３】入射光傾斜角である角度αに対する受光素子のＯＲＬを表す図である。
【図４】入射光傾斜角である角度αに対する受光素子の受光感度を表す図である。
【図５Ａ】本発明の第２の実施形態に係る裏面入射型ＰＩＮフォトダイオードの入射光と反射光の関係を表す概念図である。
【図５Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る裏面入射型ＰＩＮフォトダイオードの入射光と反射光の関係を表す概念図である。
【図６Ａ】本発明の第３の実施形態に係る端面入射型ＰＩＮフォトダイオードの入射光と反射光の関係を表す概念図である。
【図６Ｂ】本発明の第３の実施形態に係る端面入射型ＰＩＮフォトダイオードの入射光と反射光の関係を表す概念図である。
【図７Ａ】本発明の第４の実施形態に係る受光素子の反射面の反射率分布の一例を示す図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示す反射率分布を２次元フーリエ変換した像を示す像である。
【図７Ｃ】反射面の反射率が図７Ａに示す分布を有する場合に望ましい第１の向きを示す図である。
【図８Ａ】本発明の第４の実施形態に係る受光素子の反射面の反射率分布の他の一例を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ａに示す反射率分布を２次元フーリエ変換した像を示す像である。
【図８Ｃ】反射面の反射率が図８Ａに示す分布を有する場合に望ましい第１の向きを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態に係る受光モジュールについて、図面を参照しながら以下に説明する。ただし、以下に示す図は、あくまで、各実施形態の実施例を説明するものであって、図の大きさと本実施例記載の縮尺は必ずしも一致するものではない。
【００２６】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る受光モジュールについて説明する。当該実施形態に係る受光モジュール１は、光ファイバ２と、集光レンズ３と、受光素子として表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４を備えている。
【００２７】
図１は、当該実施形態に係る受光モジュール１の全体断面図である。光ファイバ２は、外部より入力される信号光を、受光モジュール１の内部へ出射する光学部材である。なお、光学部材は、受光モジュール１の外部からの信号光を内部へ伝達するものであれば、光ファイバ２に限定されることはなく、他の光学部材であってもよい。光ファイバ２の先端形状により、光ファイバ２からの出射光の光軸は、光ファイバ２の中心軸に対して平行ではなく、傾斜している。ここで、出射光の光軸とは、進行する光束の中心となる仮想的な光線を指している。以下、本明細書における出射光及び入射光などの光軸とは、この定義によって用いられる。
【００２８】
光ファイバ２からの出射光は、集光レンズ３によって、集光する収束光に変換され、集光レンズ３は、収束光を表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４へ出射する。このとき、光ファイバ２からの出射光の光軸が、集光レンズ３の中心軸に対して傾斜しているので、集光レンズ３からの出射光も、同様に、集光レンズ３の中心軸に対して傾斜している。ここで、レンズの中心軸とは、レンズの回転対称軸を指している。以下、本明細書におけるレンズの中心軸とは、この定義によって用いられる。
【００２９】
受光モジュール１には、さらに、ステム７が備えられ、受光素子サブマウント５がステム７上に配置され、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４は受光素子サブマウント５上に配置されている。集光レンズ３からの出射光は、前述の通り、収束光であり、該出射光の光軸は、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の受光面（表面）を貫いている。言いかえると、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の受光面と、集光レンズ３からの出射光の光軸との交点が、受光面の所望の領域に含まれるよう調整され、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４が配置される。
【００３０】
図１に示す通り、集光レンズ３からの出射光の光軸に対して、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の受光面の法線方向が斜交するよう、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４は配置されている。そして、集光レンズ３からの出射光が表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の受光面で反射されるとき、その反射光の光軸は、集光レンズ３の中心軸に対して傾斜しており、同様に、光ファイバ２の中心軸に対しても傾斜している。よって、受光モジュール１の外部から入力される信号光が、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の受光面で反射される反射光が、再び、光ファイバ２に戻り、受光モジュール１を備える装置においてノイズとして発生されるのが抑制されている。
【００３１】
集光レンズ３からの出射光の一部は、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の受光面を通過して、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の内部へ進行し、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４は、この光を受光し、電気信号に変換する。受光モジュール１のステム７には、信号増幅用ＩＣ６が配置され、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４から出力された電気信号を増幅する。表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４で変換された電気信号は、受光モジュール１のステム７の反対側に配置される電気信号出力ピン８より、外部へ出力される。
【００３２】
図２Ａ及び図２Ｂは、当該実施形態に係る表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の入射光１１と反射光１２の関係を表す概念図である。集光レンズ３からの出射光が、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の受光面に入射する。よって、入射光１１とは、集光レンズ３からの出射光を指している。入射光１１の一部は、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の受光面で反射される。よって、受光面は反射面としても作用している。また、反射光１２とは、入射光１１が表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の反射面で反射される光を指している。図２Ａは、入射光１１及び反射光１２を、受光素子サブマウント５上に配置されている表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の側方より見る場合を表しており、図２Ｂは、同様に、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の上方より見る場合を表している。図２Ａには、入射光１１の光軸と表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４との交点より伸びる法線が、法線１５として示されている。ここで、入射光１１の光軸１３と法線１５とがなす角、及び、反射光１２の光軸１４と法線１５とがなす角は、ともに、角度α［ｒａｄ］である。
【００３３】
前述の通り、入射光１１は、集光レンズ３より集光される収束光である。図２Ａには、入射光１１の光軸が、光軸１３として示されている。実際には、集光レンズ３よりコマ収差が生じており、入射光１１のＮＡは、入射光１１の光軸１３に対して、異方性分布を有することとなるが、説明をより簡単とするために、集光レンズ３による収差は無視できるほど小さいとし、入射光１１のＮＡは、入射光１１の光軸１３に対して、等方的であるものとする。入射光１１の光軸１３に垂直な面を、入射光垂直面とすると、入射光１１の光軸１３は、回転対称軸となっており、入射光垂直面において、入射光１１のＮＡは、光軸１３を中心とする回転に対して、一定となる分布（等方性分布）を有している。よって、入射光垂直面における入射光１１の強度分布は、光軸１３を中心として、円形状をしている。図２Ａ及び図２Ｂには、入射光１１のＮＡが表されている。入射光垂直面は、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の反射面に対して、平行ではなく傾斜しているが、図２Ｂにおいて、簡単のために、入射光垂直面を光軸１３の方向より見ているように示しており、入射光１１のＮＡが円形状に表されている。
【００３４】
当該実施形態に係る表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の反射面２１（受光面）は、反射面の反射率に、異方性分布を有している。すなわち、図２Ｂに示す通り、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の反射面２１において、高い反射率を有する領域である高反射率領域２２が、図中横方向に延びる楕円形状（長軸が図中横方向）をしており、高反射率領域２２以外の領域の反射率は高反射率領域２２の反射率より十分に低い反射率となっている。ここで、入射光１１の光軸１３は、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の反射面２１と、高反射率領域２２の中心（長軸方向と短軸方向の交点）で交わっているものとする。
【００３５】
反射面の反射率が、異方性分布を有している場合、反射光のＮＡは、光軸に対して異方性分布を有する。すなわち、反射面における反射光の強度分布を近視野像（ＮＦＰ）として、反射面における回折現象により、反射面より遠方における反射光の強度分布は遠視野像（ＦＦＰ）となる。図２Ｂには、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の反射面２１における入射光１１が照射する領域が、破線で示す円形状の領域として示されており、該領域の中に、反射面２１の高反射率領域２２は含まれており、反射面２１における反射光１２の強度分布、すなわち、ＮＦＰの強度分布は、反射面２１の高反射率領域２２の形状に対応しており、図中横方向に延びる楕円形状に分布している。
【００３６】
これに対して、反射面２１より遠方における反射光１２の強度分布、すなわち、ＦＦＰの強度分布は、図２Ｂに示す通り、図中縦方向に延びる楕円形状（長軸が図中縦方向）に分布しており、反射光１２のＮＡ分布に対応している。反射光１２の光軸１４に垂直な面を、反射光垂直面とする。入射光垂直面と同様に、反射光垂直面は、反射面２１に対して、平行ではなく傾斜しているが、図２Ｂにおいて、簡単のために、反射光垂直面を光軸１４の方向より見ているように示しており、反射光１２のＮＡが図中縦方向に延びる楕円形状に表されている。
【００３７】
反射面２１の法線方向には、反射面２１を境に互いに逆向きに延びる２つの向きが存在するが、そのうち、入射光及び反射光側へ反射面から延びる法線の向きを考える。すなわち、該法線の向きは、図２Ａに示す、図中の法線１５の上向きである。該法線の向きが反射光垂直面に正射影される向きを第１の向きとすると、第１の向きは、反射光垂直面において、入射光１１及び反射光１２からなる入射面と反射光垂直面とが交わる方向であって、入射光１１及び反射光１２が進行するに伴い、入射面が延びる向きに対向する向きである。反射面２１の法線方向よりみると、入射光１１及び反射光１２が進行する向き（入射面が延びる向き）は、図２Ｂの右向きであり、第１の向きは、それに対向する向きであり、図２Ｂの左向きである。
【００３８】
本発明の特徴は、入射光及び反射光に対する受光素子の反射面の配置にある。反射光のＮＡが反射光の光軸に対して異方性分布を有している場合に、入射光及び反射光側へ反射面から延びる法線の向きが反射光垂直面に正射影される向き（第１の向き）のＮＡが小さくなるよう、受光素子の反射面が配置されるのが望ましい。少なくとも、第１の向きのＮＡより大きいＮＡとなる第２の向きが、反射光垂直面に第１の向きとは異なる向きに存在している必要がある。反射光のＮＡが、第１の向きで、極小値（又は、最小値）を取るのが、さらに望ましい。実際には、プロセス上の誤差が生じるので、反射光のＮＡが、第１の向きからプロセス上の誤差の範囲内にある向きのいずれか、極小値（又は、最小値）を取っていればよい。
【００３９】
入射光が収束光である場合、反射光は発散光となるが、反射光のうち、第１の向きに発散していく光は、受光モジュールの光学部材へ戻る光の強度上昇、すなわち、ノイズの上昇に、大きく寄与する。第１の向きのＮＡが小さい場合、上述の数式１に示す通り、所望のＯＲＬを得るために必要な角度αは小さくなり、受光モジュール内部における信号光の反射に起因するノイズを軽減しつつ、受光モジュールにおける受光感度の低下が抑制される。
【００４０】
例えば、当該実施形態に係る表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の場合、反射光１２のＮＡは、図２Ｂに示す通り、図中縦方向に延びる楕円形状をしている。反射光垂直面において、入射面との交線に対して垂直な向き、すなわち、図２Ｂの図中上向き又は下向きを第２の向きとする。第１の向きのＮＡ（楕円の短軸）は、第２の向きのＮＡ（楕円の長軸）より小さくなっている。そして、図２Ｂに示す反射面２１を９０度回転させて、反射面２１の高反射率領域２２が図中縦方向に延びる楕円形状とする場合より、反射光１２の図中左向きのＮＡを小さくすることが出来る。
【００４１】
反射面より遠方における反射光の強度分布はＦＦＰであり、これは、反射面における反射光の強度分布（ＮＦＰ）に基づいている。ＦＦＰは、ＮＦＰから２次元フーリエ変換により算出することができる。
【００４２】
入射光のＮＡが光軸に対して等方性分布を有しており、受光素子の反射面に入射光が照射する領域が、反射面の高反射領域より大きい場合、反射面における反射光の強度分布（ＮＦＰ）は、受光素子の反射面の反射率分布に基づいている。よって、受光素子の反射面の反射率が、入射光の光軸と反射面との交点を中心とする回転に対して、異方性分布を有している場合、反射面における反射光の強度分布（ＮＦＰ）は、その反射率の異方性分布に対応している。よって、反射光のＮＡの異方性分布は、反射面の反射率の異方性分布に基づいていることとなる。さらに、ＦＦＰは、ＮＦＰを略２次元フーリエ変換した像であるので、反射光のＮＡ分布は、反射面の反射率の異方性分布の２次元フーリエ変換によって算出される。
【００４３】
この場合、受光素子の反射面における反射率の異方性分布を、入射光の光軸と反射面との交点に対して、２次元フーリエ変換した像を算出し、その像の強度分布が、反射光のＮＡ分布に対応しているので、像の中心からの強度（絶対値）が小さい向きが第１の向きとなるように、受光素子の反射面を配置すればよい。
【００４４】
反射面における反射光の強度分布（ＮＦＰ）は、受光素子の反射面に入射光が照射する領域にある反射率分布に対応している。それゆえ、反射光の高反射領域の一部が、入射光の照射領域の外側にも存在している場合であっても、ＮＦＰは、受光面の反射面に入射光が照射する領域にある反射率分布に対応しており、反射面より遠方の反射光の強度分布（ＦＦＰ）は、この領域の反射率分布を２次元フーリエ変換した像に対応しており、反射光のＮＡの異方性分布もこの像に対応している。これは反射面の反射率分布が連続的に変化する場合も同様である。また、入射光のＮＡが異方性分布を有する場合、及び入射光が反射面において無視できない程の大きさの波面収差を持つ場合、ＮＦＰは、入射光の反射面での強度及び位相の分布に対し、その対応する反射率分布を掛け合わせた結果得られる強度分布となる。よって、反射光のＮＡの異方性分布は、反射面の反射率の異方性分布と、入射光の反射面での強度及び波面と、の関係から算出される。
【００４５】
この場合、受光素子の反射面における反射率の異方性分布と、入射光の反射面での強度及び波面と、の関係から、反射光のＮＡ分布を算出し、反射光のＮＡが小さい向きが第１の向きとなるように、受光素子の反射面を配置すればよい。ただし、光電変換効率を良くする為に入射光の反射面での波面収差は非常に小さく、また入射光の強度分布はほぼ等方的な略ガウス分布であるのが一般的なので、多くの場合においては反射面の反射率の異方性分布の２次元フーリエ変換により、反射光のＮＡの異方性分布を近似的に算出することができる。
【００４６】
なお、ここで、当該実施形態に係る表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４において、反射面とは、主に、受光面を指すが、素子の構造によっては、他の反射面についても、本発明を適用することが可能である。
【００４７】
次に、受光モジュール内部における信号光の反射に起因するノイズを軽減しつつ、受光モジュールにおける受光感度の低下が抑制される角度αについて説明する。
【００４８】
本発明に係る受光素子の反射面の反射率は、異方性分布を有している。この場合、例えば、反射面の一部の領域が高い反射率となっているので、反射光のＮＡは入射光のＮＡと比較して大きくなる。さらに、前述の通り、反射面の反射率が異方性分布を有しているので、反射光のＮＡも異方性分布を有することとなる。
【００４９】
例えば、１Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高速の伝送速度で信号を伝送する高速・広帯域な受光モジュールに対して、ＩＴＵ−Ｔ（国際標準規格）では、受光モジュールの入射端でのＯＲＬを−２７ｄＢ以下となるよう規定されている。表面入射型受光素子の反射面の反射率が一様に分布している場合は、反射光のＮＡは、入射光のＮＡと等しい。この場合、反射面の反射率にもよるが、一般には、数式１に示す関係により、α＞ＮＡを満たすと、ＯＲＬの規定値を満たしている。
【００５０】
これに対して、反射光のＮＡが、入射光のＮＡより大きくなる場合、同じ角度αに対して、ＯＲＬは上昇し、ＯＲＬの規定値を満たす入射光の傾斜角である角度αは大きくなる。すなわち、角度αに対するＯＲＬは、入射光のＮＡと反射光のＮＡの大小関係に依存する。
【００５１】
図３は、入射光傾斜角である角度αに対する受光素子のＯＲＬを表す図である。横軸は、任意の単位による角度αを、縦軸は、ＯＲＬ［ｄＢ］を示している。図３には、反射光のＮＡが入射光のＮＡと等しい場合について、曲線３１を用いて、反射光のＮＡが入射光のＮＡの２倍である場合について、曲線３２を用いて、示されている。
【００５２】
図３にα１として示す角度αにおいて、反射光のＮＡと入射光のＮＡが等しい場合を示す曲線３１では、ＯＲＬが−２０ｄＢとなるが、反射光のＮＡが入射光のＮＡの２倍である場合を示す曲線３２では、ＯＲＬが−１０ｄＢと、大幅に上昇しており、特性が劣化している。反射面の反射率が例えば一般的な値である数％程度であるとき、反射光のＮＡと入射光のＮＡが等しい場合、角度αが入射光のＮＡと同程度であれば、ＯＲＬが−３０ｄＢ以下となり、規定値以下である。この角度αは、図３にα２として示されている。しかし、反射光のＮＡが入射光のＮＡの２倍である場合、角度αをα２より更に大きくしなければ、ＯＲＬを規定値以下にすることが出来ない。
【００５３】
反射光のＮＡが大きい場合であっても、それに応じて、角度αを大きくすればＯＲＬを規定値以下にすることは可能であるが、角度αを大きくすると、集光レンズ３からの出射光にコマ収差などが発生することによって、受光素子の受光感度が低下するという問題が生じる。
【００５４】
図４は、入射光傾斜角である角度αに対する受光素子の受光感度（Receiving Sensitivity）を表す図である。横軸は、任意の単位による角度αを、縦軸は、受光感度［ｄＢ］を示している。図４には、受光素子の受光径が、入射光の照射領域の半径の２倍程度の場合を示しており、図４に示す角度αに対する受光感度は、受光モジュールとしては一般的な関係を示している。図４には、合焦点にフォーカスされる場合について曲線３３を用いて、２０μｍデフォーカスされる場合について曲線３４を用いて、４０μｍデフォーカスされる場合について曲線３５を用いて、示されている。
【００５５】
図４にα３として示す角度αの値は、入射光のＮＡと同程度に小さいものであり、角度α＝０となる垂直入射と比較して、曲線３３乃至曲線３５のいずれも受光感度の低下は非常に小さいが、角度αが大きくなるにつれて、受光感度はより低下していく。合焦点にフォーカスされる場合を示す曲線３３と比較して、特に、合焦点からデフォーカスされる場合を示す曲線３４及び曲線３５において、角度αが大きい値となった場合の受光感度の低下はより大きくなる。そして、よりデフォーカスされる場合に、受光感度の低下はより著しい。
【００５６】
４０μｍデフォーカスされる場合を示す曲線３５の角度αに対する受光感度［ｄＢ］の低下は、合焦点にフォーカスされる場合を示す曲線３３と比較して、おおよそ４倍となっており、角度αが大きくなると、受光感度を良好に保つ幾何的な許容公差が大幅に縮小することを表している。
【００５７】
受光素子の反射面の反射率に異方性分布を有する場合、反射光のＮＡは、反射率が等方的である場合よりも大きくなり、所望のＯＲＬを得るために必要な角度αはより大きくなる。しかし、反射光のＮＡの異方性分布を考慮して、第１の向きのＮＡが小さくなるように、受光素子の反射面を配置することにより、より小さい角度αで、所望のＯＲＬに達成することが出来、それにより、受光素子の受光感度の低下も抑制することが出来る。
【００５８】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る受光モジュール１の基本的な構成は、第１の実施形態に係る受光モジュール１と同じである。当該実施形態に係る受光モジュール１において、受光モジュール１に備えられる受光素子が裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９である点が、第１の実施形態と主に異なっている。
【００５９】
図５Ａ及び図５Ｂは、当該実施形態に係る裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の入射光１１と反射光１２の関係を表す概念図である。集光レンズ３からの出射光が、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の裏面に入射する。すなわち、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の裏面とは、図５Ａに示す裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の図中上側の面を指している。出射光の多くは、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の裏面より、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の内部へ進行し、光吸収層にて電気信号に変換される。裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の表面、すなわち、図５Ａに示す裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の図中下側の面には、反射面２３が設けられている。裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の内部を通過する光は、反射面２３で反射される。ここで、入射光１１とは反射面２３に入射する光を指しており、反射光１２とは、反射面２３から反射される光を指している。
【００６０】
反射光１２の一部は、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の光吸収層で再び吸収され、残りの反射光１２が、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９より出射される。この光が、光ファイバ２へ戻ることにより、ノイズが発生する。図５Ａ及び図５Ｂは、図２Ａ及び図２Ｂと同様に、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の側方及び上方より見る場合を、それぞれ表している。ここで、入射光１１の光軸１３と法線１５とがなす角、及び、反射光１２の光軸１４と法線１５とがなす角は、ともに、角度α［ｒａｄ］である。
【００６１】
当該実施形態に係る裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の反射面２３は、第１の実施形態に係る表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の反射面２１と同様に、反射面２３の反射率に、異方性分布を有しており、図５Ｂに示す通り、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の反射面２３において、高い反射率を有する領域である高反射率領域２４が、図中横方向に延びる楕円形状をしており、高反射率領域２４以外の領域の反射率は高反射率領域２４の反射率より十分に低い反射率となっている。ここで、入射光１１の光軸１３は、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の反射面２３と、高反射率領域２４の中心で交わっているものとする。
【００６２】
第１の実施形態と同様に、反射光１２のＮＡは、反射光１２の光軸１４に対して異方性分布を有しており、図５Ｂの縦方向に延びる楕円形状をしている。よって、図５Ｂに示す通り、第１の向きのＮＡが小さくなるよう、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の反射面２３が配置されるのが望ましい。
【００６３】
裏面入射型受光素子の反射面の反射率が一様に分布している場合は、反射光のＮＡは、入射光のＮＡと等しい。この場合、素子の吸収層での吸収率や反射面の反射率にもよるが、表面入射型受光素子と同様に、一般には、数式１に示す関係により、α＞ＮＡを満たすと、ＯＲＬの規定値を満たしている。
【００６４】
これに対して、裏面入射型受光素子の反射面の反射率に異方性分布を有する場合も、同様に、反射光のＮＡは、反射率が等方的である場合よりも大きくなり、所望のＯＲＬを得るために必要な角度αはより大きくなる。しかし、反射光のＮＡの異方性分布を考慮して、第１の向きのＮＡが小さくなるように、受光素子の反射面を配置することにより、より小さい角度αで、所望のＯＲＬに達成することが出来、それにより、受光素子の受光感度の低下も抑制することが出来る。
【００６５】
なお、当該実施形態に係る裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９において、反射面とは、主に、図５Ａに示す裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の下面に位置する反射面２３を指す。裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の裏面（図５Ａに示す上面）である受光面においても、光の反射はあり得る。受光面の反射率は、一般に、反射面２３の高反射率領域２４の反射率と比べて、非常に小さく、ノイズの主な要因は、反射面２３における反射光１２である。しかしながら、裏面入射型受光素子の受光面において、反射率が異方性分布を有しており、受光面の反射光が大きい場合には、受光面を反射面として、本発明を適用してもよい。
【００６６】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る受光モジュール１の基本的な構成は、第１の実施形態に係る受光モジュール１と同じである。当該実施形態に係る受光モジュール１において、受光モジュール１に備えられる受光素子が端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０である点が、第１の実施形態と主に異なっている。
【００６７】
図６Ａ及び図６Ｂは、当該実施形態に係る端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の入射光１１と反射光１２の関係を表す概念図である。集光レンズ３からの出射光が、端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の端面（側面）に入射する。すなわち、端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の受光面は、端面である。集光レンズ３からの出射光がは端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の受光面に入射し、受光面を通過し、電気信号に変換される。また、出射光の一部は、端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の受光面で反射されるので、受光面は反射面２５としても作用している。入射光１１とは反射面２５に入射する光を指しており、反射光１２とは、反射面２５から反射される光を指している。反射光１２が光ファイバ２へ戻ることにより、ノイズが発生する。図６Ａ及び図６Ｂは、ともに、端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の側方より見る場合を表しており、図６Ａは、入射光１１及び反射光１２からなる入射面に垂直な方向から、図６Ｂは、反射面２５の法線１５の方向から、それぞれ見る場合を表している。ここで、入射光１１の光軸１３と法線１５とがなす角、及び、反射光１２の光軸１４と法線１５とがなす角は、ともに、角度α［ｒａｄ］である。
【００６８】
当該実施形態に係る端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の反射面２５は、第１の実施形態に係る表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４の反射面２１と同様に、反射面２５の反射率に、異方性分布を有しており、図６Ｂに示す通り、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９の反射面２５において、高い反射率を有する領域である高反射率領域２６が、図中縦方向に延びる楕円形状をしており、高反射率領域２６以外の領域の反射率は高反射率領域２６の反射率より十分に低い反射率となっている。ここで、入射光１１の光軸１３は、端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の反射面２５と、高反射率領域２６の中心で交わっているものとする。
【００６９】
反射光１２のＮＡは、反射光１２の光軸１４に対して異方性分布を有しており、図６Ｂの横方向に延びる楕円形状をしている。よって、図６Ｂに示す通り、第１の向きのＮＡが小さくなるよう、端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の反射面２５が配置されるのが望ましい。
【００７０】
端面入射型受光素子の反射面の反射率が一様に分布している場合は、反射光のＮＡは、入射光のＮＡと等しい。この場合、反射面の反射率にもよるが、表面入射型受光素子と同様に、一般には、数式１に示す関係により、α＞ＮＡを満たすと、ＯＲＬの規定値を満たしている。
【００７１】
これに対して、端面入射型受光素子の反射面の反射率に異方性分布を有する場合も、同様に、反射光のＮＡは、反射率が等方的である場合よりも大きくなり、所望のＯＲＬを得るために必要な角度αはより大きくなる。
【００７２】
端面入射型受光素子においても、角度αが大きくなると、入射光と、端面入射型受光素子内部の導波路との結合効率ηが低下するのに伴い、受光感度も低下し、特性が劣化する。入射光と導波路との結合効率ηは、角度αが小さい場合においては、η∝−α２／ＮＡ２（数式２）の関係を有しており、端面入射型受光素子において、ＯＲＬ及び結合効率ηは、ほぼ同じ割合で低下することとなる。
【００７３】
しかし、反射光のＮＡの異方性分布を考慮して、第１の向きのＮＡが小さくなるように、受光素子の反射面を配置することにより、より小さい角度αで、所望のＯＲＬに達成することが出来、それにより、受光素子の受光感度の低下も抑制することが出来る。
【００７４】
なお、当該実施形態に係る端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０において、反射面とは、主に、端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０の受光面である反射面２５を指すが、素子の構造によっては、他の反射面についても、本発明を適用することが可能である。
【００７５】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る受光モジュール１の基本的な構成は、第１乃至第３の実施形態に係る受光モジュール１のいずれかと同じである。すなわち、受光素子は、表面入射型ＰＩＮフォトダイオード４であっても、裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード９であっても、端面入射型ＰＩＮフォトダイオード１０であってもよい。第１乃至第３の実施形態において、受光素子の反射面の高反射率領域が楕円形状をしている場合において示したが、当該実施形態に係る受光モジュール１において、受光素子の反射面の反射率分布が、第１乃至第３の実施形態と主に異なっている。
【００７６】
図７Ａは、当該実施形態に係る受光素子の反射面の反射率分布の一例を示す図である。例えば、図７Ａに示すように、反射面において、高反射率領域２７が、十字形状をしており、高反射率領域２７以外の領域の反射率は高反射率領域２７の反射率より十分に低い反射率となっている。
【００７７】
受光素子の反射面に入射光が照射する領域にある反射率分布が、図７Ａに示す分布をしている場合、反射面における反射光の強度分布（ＮＦＰ）は、図７Ａに示す分布に対応している。それゆえ、反射面より遠方の反射光の強度分布（ＦＦＰ）は、図７Ａに示す分布を２次元フーリエ変換した像に対応しており、反射光のＮＡの異方性分布もこの像に対応している。
【００７８】
図７Ｂは、図７Ａに示す反射率分布を２次元フーリエ変換した像を示す像である。図７Ｂに示す２次元フーリエ変換像は、中心付近の振幅が大きく、中心から十字形の４つの向きそれぞれに進むのに伴い、振幅が小さくなっている。
【００７９】
反射光のＮＡ分布も、図７Ｂに示す像に対応しているので、反射光のＮＡの小さい向きを選択し、その向きが第１の向きとなるよう、受光素子の反射面を配置すればよい。
【００８０】
図７Ｃは、反射面の反射率が図７Ａに示す分布を有する場合に望ましい第１の向きを示す図である。前述した通り、反射光の光軸に対して反射光のＮＡが異方性分布を有する場合、反射光のＮＡの異方性分布は、図７Ｂに示す２次元フーリエ変換像に対応しており、図７Ｂに示す２次元フーリエ変換像の中心から、像の強度（絶対値）が小さい向きを第１の向きに選ぶとよい。図７Ｃには、第１の向きとして望ましい向きが、４つ示されている。これらの向きのいずれかを第１の向きとするのが、最も望ましく、プロセス上の誤差を鑑みて、これらの向きのいずれかの向きの近傍が第１の向きであってもよい。
【００８１】
図８Ａは、当該実施形態に係る反射面の反射率分布の他の一例を示す図である。例えば、図８Ａに示すように、反射面において、高反射率領域２７が、正三角形の形状をしていてもよい。この場合、高反射率領域２７以外の領域の反射率は高反射率領域２７の反射率より十分に低い反射率となっている。
【００８２】
図８Ｂは、図８Ａに示す反射率分布を２次元フーリエ変換した像を示す像である。図８Ｂに示す２次元フーリエ変換像は、中心付近の振幅が大きく、中心から６つの向きそれぞれに進むのに伴い、振幅が小さくなっている。
【００８３】
反射光のＮＡの異方性分布も、図８Ｂに示す像に対応しているので、反射光のＮＡの小さい向きを選択し、その向きが第１の向きとなるよう、受光素子の反射面を配置すればよい。
【００８４】
図８Ｃは、反射面の反射率が図８Ａに示す分布を有する場合に望ましい第１の向きを示す図である。図８Ｃには、第１の向きとして望ましい向きが、６つ示されている。
【００８５】
なお、以上、本発明の実施形態に係る受光モジュールについて説明した。以上の説明において、受光素子として、ＰＩＮフォトダイオードを例に説明したが、ＰＩＮフォトダイオードに限定されることはなく、アバランシェホトダイオード（Avalanche Photodiode：ＡＰＤ）など、他の受光素子であっても良いのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００８６】
１ 受光モジュール、２ 光ファイバ、３ 集光レンズ、４ 表面入射型ＰＩＮフォトダイオード、５ 受光素子サブマウント、６ 信号増幅用ＩＣ、７ ステム、８ 電気信号出力ピン、９ 裏面入射型ＰＩＮフォトダイオード、１０ 端面入射型ＰＩＮフォトダイオード、１１ 入射光、１２ 反射光、１３，１４ 光軸、１５ 法線、２１，２３，２５ 反射面、２２，２４，２６，２７ 高反射率領域、３１，３２，３３，３４，３５ 曲線。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部より入力される信号光を内部へ出射する光学部材と、
前記光学部材より出射する出射光を収束光に変換して出射するレンズと、
前記収束光の光軸に対して法線方向が斜交して配置される反射面を有するとともに、前記収束光を受光して電気信号に変換する受光素子と、
を備える受光モジュールであって、
前記収束光が前記反射面で反射してなる反射光の開口数は、前記反射光の光軸と垂直に交わる反射光垂直面において、前記反射光の光軸に対して異方性分布を有し、
前記収束光及び前記反射光側へ前記反射面から延びる法線の向きが前記反射光垂直面に正射影される向きである第１の向きの前記反射光の開口数より、大きい開口数となる第２の向きが、前記反射光垂直面に第１の向きと異なる向きに存在する、
ことを特徴とする、受光モジュール。
【請求項２】
外部より入力される信号光を内部へ出射する光学部材と、
前記光学部材より出射する出射光を収束光に変換して出射するレンズと、
前記収束光の光軸に対して法線方向が斜交して配置される反射面を有するとともに、前記収束光を受光して電気信号に変換する受光素子と、
を備える受光モジュールであって、
前記収束光の光軸と前記反射面との交点に対する前記反射面の反射率の異方性分布と、前記収束光の前記反射面上での強度及び波面と、の関係から算出される、前記収束光が前記反射面で反射してなる反射光の開口数は、前記反射光の光軸と垂直に交わる反射光垂直面において、前記反射光の光軸に対して異方性分布を有し、
前記収束光及び前記反射光側へ前記反射面から延びる法線の向きが前記反射光垂直面に正射影される向きである第１の向きの前記反射光の開口数より、大きい開口数となる第２の向きが、前記反射光垂直面に第１の向きと異なる向きに存在する、
ことを特徴とする、受光モジュール。
【請求項３】
外部より入力される信号光を内部へ出射する光学部材と、
前記光学部材より出射する出射光を収束光に変換して出射するレンズと、
前記収束光の光軸に対して法線方向が斜交して配置される反射面を有するとともに、前記収束光を受光して電気信号に変換する受光素子と、
を備える受光モジュールであって、
前記収束光の光軸と前記反射面との交点に対する前記反射面の反射率の異方性分布の２次元フーリエ変換によって算出される、前記収束光が前記反射面で反射してなる反射光の開口数は、前記反射光の光軸と垂直に交わる反射光垂直面において、前記反射光の光軸に対して異方性分布を有し、
前記収束光及び前記反射光側へ前記反射面から延びる法線の向きが前記反射光垂直面に正射影される向きである第１の向きの開口数より、大きい開口数となる第２の向きが、前記反射光垂直面に第１の向きと異なる向きに存在する、
ことを特徴とする、受光モジュール。
【請求項４】
前記反射光垂直面において、前記反射光の開口数の前記異方性分布は、前記第１の向きで極小値となっている、
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項３に記載の受光モジュール。
【請求項５】
前記受光素子は、表面入射型受光素子であり、
前記反射面とは、前記受光素子の受光面である、
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の受光モジュール。
【請求項６】
前記受光素子は、裏面入射型受光素子であり、
前記反射面とは、前記裏面入射型受光素子の表面に配置される反射面である、
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の受光モジュール。
【請求項７】
前記受光素子は、端面入射型受光素子であり、
前記反射面とは、前記端面入射型受光素子の受光面である、
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の受光モジュール。
【請求項１】
外部より入力される信号光を内部へ出射する光学部材と、
前記光学部材より出射する出射光を収束光に変換して出射するレンズと、
前記収束光の光軸に対して法線方向が斜交して配置される反射面を有するとともに、前記収束光を受光して電気信号に変換する受光素子と、
を備える受光モジュールであって、
前記収束光が前記反射面で反射してなる反射光の開口数は、前記反射光の光軸と垂直に交わる反射光垂直面において、前記反射光の光軸に対して異方性分布を有し、
前記収束光及び前記反射光側へ前記反射面から延びる法線の向きが前記反射光垂直面に正射影される向きである第１の向きの前記反射光の開口数より、大きい開口数となる第２の向きが、前記反射光垂直面に第１の向きと異なる向きに存在する、
ことを特徴とする、受光モジュール。
【請求項２】
外部より入力される信号光を内部へ出射する光学部材と、
前記光学部材より出射する出射光を収束光に変換して出射するレンズと、
前記収束光の光軸に対して法線方向が斜交して配置される反射面を有するとともに、前記収束光を受光して電気信号に変換する受光素子と、
を備える受光モジュールであって、
前記収束光の光軸と前記反射面との交点に対する前記反射面の反射率の異方性分布と、前記収束光の前記反射面上での強度及び波面と、の関係から算出される、前記収束光が前記反射面で反射してなる反射光の開口数は、前記反射光の光軸と垂直に交わる反射光垂直面において、前記反射光の光軸に対して異方性分布を有し、
前記収束光及び前記反射光側へ前記反射面から延びる法線の向きが前記反射光垂直面に正射影される向きである第１の向きの前記反射光の開口数より、大きい開口数となる第２の向きが、前記反射光垂直面に第１の向きと異なる向きに存在する、
ことを特徴とする、受光モジュール。
【請求項３】
外部より入力される信号光を内部へ出射する光学部材と、
前記光学部材より出射する出射光を収束光に変換して出射するレンズと、
前記収束光の光軸に対して法線方向が斜交して配置される反射面を有するとともに、前記収束光を受光して電気信号に変換する受光素子と、
を備える受光モジュールであって、
前記収束光の光軸と前記反射面との交点に対する前記反射面の反射率の異方性分布の２次元フーリエ変換によって算出される、前記収束光が前記反射面で反射してなる反射光の開口数は、前記反射光の光軸と垂直に交わる反射光垂直面において、前記反射光の光軸に対して異方性分布を有し、
前記収束光及び前記反射光側へ前記反射面から延びる法線の向きが前記反射光垂直面に正射影される向きである第１の向きの開口数より、大きい開口数となる第２の向きが、前記反射光垂直面に第１の向きと異なる向きに存在する、
ことを特徴とする、受光モジュール。
【請求項４】
前記反射光垂直面において、前記反射光の開口数の前記異方性分布は、前記第１の向きで極小値となっている、
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項３に記載の受光モジュール。
【請求項５】
前記受光素子は、表面入射型受光素子であり、
前記反射面とは、前記受光素子の受光面である、
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の受光モジュール。
【請求項６】
前記受光素子は、裏面入射型受光素子であり、
前記反射面とは、前記裏面入射型受光素子の表面に配置される反射面である、
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の受光モジュール。
【請求項７】
前記受光素子は、端面入射型受光素子であり、
前記反射面とは、前記端面入射型受光素子の受光面である、
ことを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の受光モジュール。
【図１】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【公開番号】特開２０１２−８４７１４（Ｐ２０１２−８４７１４Ａ）
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２３０２７４（Ｐ２０１０−２３０２７４）
【出願日】平成２２年１０月１３日（２０１０．１０．１３）
【出願人】（３０１００５３７１）日本オプネクスト株式会社 (311)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月２６日（２０１２．４．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１０月１３日（２０１０．１０．１３）
【出願人】（３０１００５３７１）日本オプネクスト株式会社 (311)
【Ｆターム（参考）】
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