特許 7606135 受光素子および光受信回路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-12-17

(45)【発行日】2024-12-25

(54)【発明の名称】受光素子および光受信回路

(51)【国際特許分類】

   H01L 31/10 20060101AFI20241218BHJP

   H01L 31/02 20060101ALI20241218BHJP

【ＦＩ】

H01L31/10 H

H01L31/02 B

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2023515893

(86)(22)【出願日】2021-04-19

(86)【国際出願番号】 JP2021015875

(87)【国際公開番号】W WO2022224308

(87)【国際公開日】2022-10-27

【審査請求日】2023-08-04

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】弁理士法人谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】神田 淳

(72)【発明者】

【氏名】中西 泰彦

(72)【発明者】

【氏名】吉松 俊英

(72)【発明者】

【氏名】名田 允洋

【審査官】原 俊文

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－０３６６１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－２６７６２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２３２９６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２５６８５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０１８７９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－００５０１４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｌ ３１／００－３１／０３９２

Ｈ０１Ｌ ３１／０８－３１／１１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

受光素子であって、
基板の一方の面上に構成された、
光信号の受光部と、
前記受光部のアノードに接続されたアノード電極パッドと、
前記受光部のカソードに接続されたカソード電極パッドと、
前記基板の素子構成面とは反対の面であって、前記受光部の中心を通る前記素子構成面の法線との交点に中心を有し、前記受光部に集光する光が入射可能な開口領域の外に形成された接地パターンと
を備え、
前記アノード電極パッド、前記受光部および前記カソード電極パッドは、直線に沿って配置され、
前記接地パターンは、前記開口領域の両脇に、前記直線に平行な帯状の形状を有することを特徴とする受光素子。

【請求項2】

前記開口領域内に入射した前記光信号が、前記基板の内部を透過して前記受光部で受光されることを特徴とする請求項１に記載の受光素子。

【請求項3】

前記開口領域にレンズが形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の受光素子。

【請求項4】

前記受光部、前記アノード電極パッドおよび前記カソード電極パッドが単位素子を構成し、複数個の前記単位素子が配列されたことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の受光素子。

【請求項5】

光受信回路であって、
表面がメタライズされたサブキャリア、
前記サブキャリアの上の受光素子であって、
基板の一方の面上に構成された、
光信号の受光部と、
前記受光部のアノードに接続されたアノード電極パッドと、
前記受光部のカソードに接続されたカソード電極パッドと、
前記基板の素子構成面とは反対の面で、前記受光部の中心を通る前記素子構成面の法線との交点に中心を有し、前記受光部に集光する光が入射可能な開口領域の外に形成された接地パターンとを備えた、受光素子、並びに、
前記アノード電極パッドと電気的に接続される信号入力パッド、および、
前記サブキャリアの前記メタライズされた接地面に電気的に接続されるグランドパッドを有する
トランスインピーダンス・アンプ
を備え、
前記カソード電極パッドから前記信号入力パッドへ流れる信号電流に対して、リターン電流が、前記グランドパッドから前記接地パターンを含む経路を流れることを特徴とする光受信回路。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は光通信に関し、より具体的には受光素子および光受信回路に関する。

【背景技術】

【0002】

光通信システムに求められる伝送速度は、年々増加している。伝送速度の高速化とともに、光信号を電気信号に変換する受光素子およびこれを用いた光受信回路に対しても、広帯域化に対する要求が高まっている。この要求に対し、１チャネル当たりの伝送速度を増大する技術に加え、複数のチャネルの電気信号を並列処理し、対応する光信号を波長分割等で多重化して伝送速度を増大させる技術が進んでいる。受光素子に目を向ければ、多チャネルの光信号を１つの受光素子で受光して、１つの光受信回路で一括して電気信号に変換する技術が求められている。

【0003】

上述の光受信回路は、受光素子に加え、受光素子で得られた電流信号を電圧信号に変換して増幅出力するトランスインピーダンス・アンプ（ＴＩＡ）などから構成される。高速光通信用の受光素子としては、専らフォトダイオード（ＰＤ）が用いられている。複数のＰＤをアレイ化して１つのＰＤアレイチップ上に搭載し、多チャネルの光信号を多チャネルの電気信号に変換する集積化技術も進んでいる。ＰＤアレイチップを用いた多チャネル光受信回路は、複数の入出力信号端子を備えた多チャネルＴＩＡを用い、１つのＴＩＡチップで多チャネルの電流信号を電圧信号に変換して、増幅出力できる。（特許文献１）
図１１は、従来技術の高速光伝送用の裏面入射型ＰＤの構成を示す図である。図１１の（ａ）は、裏面入射型ＰＤの素子構成面（ｘ－ｙ面）を上方から見た上面図、（ｂ）は素子構成面の裏側を見た図、（ｃ）は（ａ）のＸＩｃ―ＸＩｃ線で基板面に垂直に切断した断面図である。図１１の（ａ）を参照すれば、ＰＤ１の上面には、光信号を受光する受光部１５と、アノードと接続されているアノード電極パッド１１と、カソードと接続されているカソード電極パッド１２が形成されている。（ｃ）に示したように、ＰＤ１の下面側から入射された光信号２は、ＰＤ内を透過し、上面に形成された受光部１５で光信号から電気信号に変換され、電気信号がアノード電極およびカソード電極から出力される。図１１の裏面入射型ＰＤで光受信回路を構成する場合、後述するように、貫通孔が設けられたＰＤサブマウント上にＰＤチップを搭載し、貫通孔を通過して光信号を入射する実装形態が用いられる。したがって、図１１の（ｂ）に示した光が入射されるＰＤ１の下面（裏面）側は、サブマウントへの搭載面となり、電極等は形成されない。

【0004】

図１２は、従来技術における高速伝送用の光受信回路の実装例を示す図である。図１２の（ａ）は、ＰＤチップ他が搭載される側の上面図を、図１２の（ｂ）は、（ａ）の上面図で線ＸIIｂ―ＸIIｂで光受信回路を切断した断面図である。図１２の光受信回路は、受信装置や光モジュールなどの様々な形態で、基板面などの上に構成されるため、図１２ではベースとなる基板は示していない。後述する他の光受信回路の図においても同様である。図１２では、１チャネルの光信号２を入力して１チャネルの電気信号を出力するＰＤ１を用いる光受信回路の実装形態が示されている。光受信回路は、大別して、ＰＤサブマウント４０およびＴＩＡキャリア４２の各部分で構成されている。裏面入射型ＰＤ１およびチップコンデンサ３０が、表面メタライズされたＰＤサブマウント４０の上に搭載されている。ＴＩＡ２０が、表面メタライズされたＴＩＡキャリア４２の上に搭載されている。

【0005】

ＰＤサブマウント４０には、ＰＤ１の下面から光信号２を入射するための貫通孔４１が設けられている。通常、反射戻り光の影響を避けるために、光信号２はＰＤ受光部１５に対して法線方向から角度をずらして入射させる。最適な角度は、ＰＤの光学系構成や材料、光の波長、ＰＤの扱う伝送速度など設計条件によって変わる。ＰＤ１のサブマウント４０に対する実装位置には、実装条件や製造条件に応じてある程度の自由度（マージン）も求められる。したがって貫通孔４１の寸法は、ＰＤ受光部１５の受光径に対して十分に大きくなければならない。

【0006】

ＴＩＡ２０は、電気信号をＰＤ１から入力するためのシグナルパッド２１、差動電気信号を外部に出力するためのシグナルパッド２２ａ、２２ｂ、グランドパッド２３ａ～２３ｅおよび電源供給、ＴＩＡの動作制御、モニタを行うための電源・制御・モニタパッド２４を備えている。

【0007】

ＰＤサブマウント４０上には、カソード電極パッド１２と接続されたチップコンデンサ３０も搭載している。チップコンデンサ３０は、直流電圧を外部からＰＤ１のカソード電極１２に印加する中継端子であり、交流成分と直流成分を分離し、交流信号が外部に漏洩するのを遮断するよう動作する。

【0008】

ボンディングワイヤ５１は、ＰＤ１のアノード電極パッド１１とＴＩＡ２０の入力シグナルパッド２１との間を電気接続する。ボンディングワイヤ５２は、ＰＤ１のカソード電極パッド１２とチップコンデンサ３０との間を電気接続する。ボンディングワイヤ５７は、ＴＩＡ２０のグランドパッド２３とＰＤサブマウント４０のグランド電位との間を電気接続する。

【0009】

図１３は、従来技術の高速光伝送用の裏面入射型ＰＤの別の構成を示す図である。図１１と同様に、図１３の（ａ）は、裏面入射型ＰＤの素子構成面（ｘ－ｙ面）を上方から見た上面図、（ｂ）は素子構成面の裏側を見た図、（ｃ）は（ａ）のＸIIIｃ―ＸIIIｃ線で基板面に垂直に切断した断面図である。

【0010】

図１１に示したＰＤの構成との相違点は、素子下面側において、受光部１５と対応する位置にレンズ１７を備えることである。レンズ１７は、素子下面側から入射された光信号２が受光部で集光される曲率を有している。ＰＤ１にレンズ１７を集積することによって、光結合効率を向上し、実装トレランスの低下を防ぐことができる。レンズとＰＤとの間のアライメントが不要となるため、光受信回路の実装コストを減らすことができる。

【0011】

図１４は、従来技術の高速光伝送用の裏面入射型ＰＤのさらに別の構成を示す図である。図１１と同様に、図１４の（ａ）は、裏面入射型ＰＤの素子構成面（ｘ－ｙ面）を上方から見た上面図、（ｂ）は素子構成面の裏側を見た図、（ｃ）は（ａ）のＸIＶｃ―ＸIＶｃ線で基板面に垂直に切断した断面図である。図１４に示したＰＤは、ＰＤアレイチップ１０１であって、図１１で示した裏面入射型ＰＤ１を４つ配列して１つのチップに集積化したものである。１つのＰＤアレイチップ１０１によって、４チャネルの光信号を４チャネルの電気信号に変換することができる。４つのＰＤを１つのチップに集積化することによって、４個のＰＤチップを別々に実装する場合に比べて、光受信回路の実装コストを減らすことができる。

【0012】

図１５は、ＰＤアレイチップによる高速伝送用の光受信回路の実装例を示す図である。図１５の（ａ）は、ＰＤチップアレイ他が搭載される側の上面図を、図１５の（ｂ）は、（ａ）の上面図でＸＶｂ―ＸＶｂ線で光受信回路を切断した断面図である。図１２に示した１チャネルのＰＤを用いた光受信回路に対し、図１５ではＰＤアレイチップ１０１を用い多チャネルの光信号を入力して多チャネルの電気信号を出力する光受信回路を示している。ＰＤアレイ１０１およびチップコンデンサ３００は、表面メタライズされたＰＤサブマウント４００の上に搭載されている。ＴＩＡ２００は、表面メタライズされたＴＩＡキャリア４２０の上に搭載されている。

【0013】

ＰＤサブマウント４００には、ＰＤアレイ１０１の裏面から４チャネルの光信号２を入射するために４チャネル分の貫通孔をまとめた大きな単一の貫通孔４１０が設けられている。既に図１２についても述べたように、光信号２がＰＤ受光部に対して法線方向から角度をずらして入射させ、ＰＤアレイ１０１のサブマウント４００に対する実装位置にある程度の自由度が求められる。加えて、ＰＤサブマウント４００の材料であるセラミック加工精度や、加工可能な貫通孔サイズの問題から、貫通孔４１０の端部および短辺の寸法はＰＤ受光部の受光径に対して十分に大きくなければならない。

【0014】

ＴＩＡチップ２００は、４系統の増幅回路を備えた多チャネルＴＩＡであり、４チャネル分の入力シグナルパッド２１０、出力シグナルパッド２２０ａ、２２０ｂ、グランドパッド２３０ａ～２３０ｅ、および電源・制御・モニタパッド２４０を備えている。ボンディングワイヤ５１０は、ＰＤアレイ１０１の４つのアノード電極パッド１１０とＴＩＡ２００の４つの入力シグナルパッド２１０との間を電気接続する。ボンディングワイヤ５２０は、ＰＤアレイ１０１の４つのカソード電極パッド１２０と４つのチップコンデンサ３００との間をそれぞれ電気接続する。ボンディングワイヤ５７０は、ＴＩＡ２００の４系統の各増幅回路のグランドパッド２３０ａ、２３０ｂと、ＰＤサブマウント４００のグランド電位面との間を電気接続する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0015】

【文献】特許第５２９６８３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

しかしながら、光通信システムの伝送速度が上がるにしたがって、ＰＤの実装上の制限が光受信回路における高周波特性に悪影響を与える問題が顕在化していた。従来技術のＰＤを用いた上述のいずれの光受信回路においても、高周波信号の経路で電磁界の乱れが生じる。高周波信号の電磁界の乱れは、ＰＤからＴＩＡへの高周波伝送特性を劣化させ、不要な共振や放射ノイズが発生しやすくなるなどの問題を生じていた。これらの問題は、多チャネル化されたＰＤアレイを用いた光受信回路において特に影響が著しかった。光受信回路におけるボンディングワイヤはアンテナとして機能し、隣接チャネルのボンディングワイヤから輻射されたクロストーク信号により伝送品質が劣化する問題もあった。

【0017】

本発明は上述の課題を鑑みてなされたもので、その目的とするところは、良好な高周波伝送特性を持つ受光素子および光受信回路を提供するところにある。

【課題を解決するための手段】

【0018】

本発明の１つの実施態様は、受光素子であって、基板の一方の面上に構成された、光信号の受光部と、前記受光部のアノードに接続されたアノード電極パッドと、前記受光部のカソードに接続されたカソード電極パッドと、前記基板の素子構成面とは反対の面であって、前記受光部に対応する位置にある開口領域の外に形成された接地パターンとを備えたことを特徴とする受光素子である。

【発明の効果】

【0019】

高周波伝送特性が良好で、不要な共振や放射ノイズを抑え、チャネル間クロストークを低減した受光素子および光受信回路を実現する。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】実施形態１の受光素子の構成を示す図である。

【図2】実施形態１の受光素子を用いた光受信回路の実装例を示す図である。

【図3】実施形態１の光受信回路におけるリターン電流の経路を説明する図である。

【図4】実施形態１の受光素子の別の構成を示す図である。

【図5】実施形態２の受光素子の構成を示す図である。

【図6】実施形態２の受光素子を用いた光受信回路の実装例を示す図である。

【図7】実施形態３の受光素子の構成を示す図である。

【図8】実施形態３の受光素子を用いた光受信回路の実装例を示す図である。

【図9】実施形態３の光受信回路におけるリターン電流の経路を説明する図である。

【図10】実施形態３の受光素子の別の構成を示す図である。

【図11】従来技術の高速光伝送用の裏面入射型ＰＤの構成を示す図である。

【図12】従来技術の裏面入射型ＰＤによる光受信回路の実装例を示す図である。

【図13】従来技術の裏面入射型ＰＤの別の構成を示す図である。

【図14】従来技術の裏面入射型ＰＤのさらに別の構成を示す図である。

【図15】ＰＤアレイチップによる光受信回路の実装例を示す図である。

【図16】従来技術のＰＤによる光受信回路のリターン電流経路の図である。

【図17】ＰＤアレイチップによる光受信回路のリターン電流経路の図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本開示の受光素子は、リターン電流の経路を最短化する構成を採用することで、良好な高周波伝送特性を実現する。発明者らは、受光素子からＴＩＡへと伝送される高周波信号の往復の経路に着目した。本開示の受光素子では、光受信回路が処理する高周波電気信号の信号経路だけではなく、アース側を戻るリターン電流の経路がストレート化される。ＰＤからの高周波信号に対して逆向きに流れるリターン電流が、ＰＤサブマウントのグランド電位に接触している、ＰＤ下面に形成された接地パターンを流れる。このＰＤ下面の接地パターンは良好な高周波伝送特性を実現し、特に多チャネル化されたＰＤアレイでは、不要な共振や放射ノイズを抑え、チャネル間クロストークを効果的に低減する。

【0022】

以下、まず従来技術の受光素子における問題点についてさらに詳細に説明を行い、引き続いて、従来技術の構成と対比をしながら、本開示の受光素子の構成について説明する。

【0023】

図１６は、従来技術の裏面入射型ＰＤを用いた光受信回路におけるリターン電流の経路を説明する図である。図１６では、図１２に示した従来技術のＰＤ１で発生する光電流と、この光電流に対応するリターン電流を、ボンディングワイヤを描かずに矢印で示している。ＰＤ受光部１５において信号光２から発生した光電流は、高周波信号電流６１として、ＰＤアノード電極パッド１１からボンディングワイヤ５１を経由しＴＩＡ入力シグナルパッド２１に流れ込む。ＴＩＡ２０に向かう信号電流６１の伝送に対して、逆向きに、ＴＩＡ２０からリターン電流６７、６９が流れる。リターン電流６７、６９は、グランドパッド２３ａ、２３ｂからそれぞれのボンディングワイヤ５７を経て、ＰＤサブマウント４０のグランド電位面に流れ込む。

【0024】

ＰＤサブマウント４０の表面は、金属膜を蒸着して金属で覆われて（メタライズされて）おり、少なくともＰＤ１が搭載される部分とその周辺、好ましくは全面がメタライズされている。このメタライズされた金属表面は、電気的には光受信回路における基準のグランド電位を持ち、本明細書では、メタライズされた金属表面をグランド電位面とも呼ぶこととする。図１６に示したＰＤサブマウント４０上の点線矢印で示したリターン電流６７、６９は、上述のグランド電位面を流れている。

【0025】

ＰＤサブマウント４０がＰＤ１の直下から信号光２を入射する貫通孔４１を持っているため、リターン電流６７、６９は貫通孔４１の周りのグランド電位面を流れることになる。すなわち、リターン電流は直進することを妨げられて、貫通孔４１の周囲を迂回するように流れる。このリターン電流経路の迂回は、高周波伝送特性を劣化させ、不要な共振や放射ノイズの発生の原因となり得る。この問題は、多チャネル化されたＰＤアレイを用いた光受信回路においてさらに影響が大きくなる。

【0026】

図１７は、従来技術の裏面入射型ＰＤアレイを用いた光受信回路におけるリターン電流の経路を説明する図である。図１７では、図１５に示した従来技術のＰＤアレイ１０１で、４つのチャネル６０１～６０４で発生する光電流と、この光電流に対応するリターン電流を、ボンディングワイヤを描かず矢印で示している。４つのＰＤの各受光部１５０において信号光２から発生した光電流は、信号電流６１０として、ＰＤアノード電極パッド１１０からボンディングワイヤ５１０を経由しＴＩＡ入力シグナルパッド２１０に流れ込む。ＴＩＡ２００に向かう４つの高周波信号電流６１０の伝送に対して、それぞれ逆向きに、ＴＩＡ２００からリターン電流６９１～６９４が流れる。

【0027】

図１７のＴＩＡチップ左側のチャネル６０１に着目すると、リターン電流６９１は、グランドパッド２３０ａ、２３０ｂからボンディングワイヤ５７０を経て、ＰＤサブマウント４００のグランド電位面に流れ込む。リターン電流６９１は、ＰＤサブマウント４００の貫通孔４１０の左端をまわりこむ様に迂回して、グランド電位面を流れる。図１７の右側のチャネル６０４についても、リターン電流６９４は、リターン電流６９１とは左右対称に、貫通孔４１０の右端をまわりこむ様に迂回して、グランド電位面を流れる。

【0028】

図１７の内部側のチャネル６０２に着目すると、リターン電流６９２は、グランドパッド２３０ａ、２３０ｂからボンディングワイヤ５７０を経て、ＰＤサブマウント４００のグランド電位面に流れ込む。リターン電流６９２は、ＰＤサブマウント４００のグランド電位面を、ボンディングワイヤ接続点から貫通孔の長手方向に沿い、さらに貫通孔の左端をまわりこむ様に迂回して流れる。ＰＤアレイチップの周辺近くにあるチャネル６０１に比べれば、チップ内部側にあるチャネル６０２のリターン電流の迂回の程度は著しい。ＰＤアレイチップのＰＤの数が増えれば、高周波信号のグランド基準点となるチップコンデンサ３００のからシグナルパッド２１０に至る信号電流経路と、リターン電流経路によって、大きな開口の電流ループを形成することになる。リターン電流の迂回の問題は、とりわけＰＤアレイチップにおいて重大な問題となる。

【0029】

セラミック加工精度上の理由から、ＰＤサブマウント４００の単一の貫通孔４１０の代わりに、各チャネルに対し別々の小さな貫通孔を４つ配列する構造として形成するのは困難である。図１７に示したように４チャネル分の貫通孔を１つの大きな孔にまとめた構造を採らざるを得ない。上述のように、多チャネル光受信回路のチップ内側（中心側）のチャネルでは、リターン電流の迂回距離が大きくなる。このため、従来技術のＰＤアレイチップを用いた光受信回路では、特に内側のチャネルにおいて、高周波伝送特性の劣化が著しく、不要な共振や放射ノイズが発生しやすかった。

【0030】

ＰＤおよびＴＩＡ間の信号伝送経路において共振が起きることによって、ＰＤからの検波出力において、特定の周波数のエネルギーの反射や吸収が起こり得る。すなわち特定の周波数の伝達特性が急激に劣化（減衰）したり、逆に特定の周波数が励起されてスパイク状にピークを持ったりする。また自チャネルにおけるピーク信号が、他チャネルにノイズとして作用したりする。リターン電流の迂回は、このような高周波伝送特性の劣化をもたらす。

【0031】

また図１５に示したような多チャネル化されたＰＤアレイを用いた光受信回路では、隣接するチャネル間の距離は、ボンディングワイヤ長と同程度（例えば０．５ｍｍ程度）にまで接近する。ボンディングワイヤは、送信アンテナおよび受信アンテナとして機能する。不要な共振や放射ノイズがあるチャネルで発生すれば、そのチャネルのボンディングワイヤから輻射された電磁波を、隣接するチャネルのボンディングワイヤで拾いやすくなる。隣接チャネルから漏洩した信号は自チャネルの信号に重畳し、いわゆるクロストークの影響を受けやすくなる。例えば１０Ｇｂａｕｄ程度以上の伝送速度を有する信号では、自由空間における１／４波長は、ボンディングワイヤ長と同程度またはそれ以下の長さになる。このように、ボンディングワイヤがアンテナとして機能し、隣接チャネルからのクロストークによって伝送品質が劣化する問題点があった
以下では、本開示の受光素子および光受信回路の構成と、高周波信号および対応するリターン電流について説明する。

【0032】

［実施形態１］
図１は、実施形態１の受光素子の構成を示す図である。図１１と同様に裏面入射型ＰＤ１０を示しており、（ａ）は、受光素子の構成面（ｘ－ｙ面）を上方から見た上面図、（ｂ）は構成面の裏側を見た背面図、（ｃ）は（ａ）のＩｃ―Ｉｃ線で基板面に垂直に切断した断面図である。

【0033】

高速光通信用受光素子であるＰＤ１０の上面には、光信号を受光する受光部１５と、アノードと接続されているアノード電極パッド１１と、カソードと接続されているカソード電極パッド１２が形成されている。（ｃ）に示したように、ＰＤ１０の下面側から入射された光信号２は、ＰＤ内を透過し、上面に形成された受光部１５で光信号から電気信号に変換される。電気信号は、アノード電極およびカソード電極から出力される。後述するように、カソード電極はチップコンデンサを介して接地されることで、高周波信号電流がアノード側から外部へ取り出される。図１１と同様に、裏面入射型ＰＤ１０で光受信回路を構成する場合、貫通孔が設けられたＰＤサブマウント上にＰＤチップを搭載し、貫通孔を通過して光信号を入射する実装形態が用いられる。本実施形態の受光素子１０で従来技術の構成と異なるのは、光信号を入射する開口領域１６を除いたＰＤの下面全体に、接地パターン１８が形成されていることである。

【0034】

図１に示した裏面入射型ＰＤ１０では、光信号をＰＤチップで受光部や電極パッドが形成される素子構成面の反対側（ＰＤの下面）から信号光を入射する。したがって、ＰＤの下面において他の信号を入出力する必要性がなく、ＰＤサブマウント上にＰＤを実装するための障害になる。また敢えて信号パッドなどを形成しても、チップ構造が複雑になり、チップ作製コストが増えるだけである。したがって、ＰＤの下面側には素子要素や電極は形成されず、ＰＤチップの基板材料がそのままむき出しになっていた。発明者らは、これまで利用されることのなかったＰＤ下面に、あえて接地パターンを構成することでリターン電流の経路として利用する着想を得た。ＰＤの基板材料は、通常は半導体であり、半導体の表面に金属膜などを蒸着して表面をメタライズするのは、簡単な工程で済む。高周波電流に対するアース電位の形成には、薄い金属膜で十分である。また、ＰＤ下面の接地パターンは、ＰＤをＰＤサブマウントに搭載する工程にも影響を及ぼさない。

【0035】

したがって本開示の受光素子１０は、基板の一方の面上に構成された、光信号の受光部１５と、前記受光部のアノードに接続されたアノード電極パッド１１と、前記受光部のカソードに接続されたカソード電極パッド１２と、前記基板の素子構成面とは反対の面であって、前記受光部に対応する位置にある開口領域１６の外に形成された接地パターン１８とを備えたものとして実施できる。この接地パターン１８は、前記開口領域を除いて、前記反対の面の全面に形成されることができる。

【0036】

図２は、実施形態１の受光素子を用いた光受信回路の実装例を示す図である。図２の（ａ）は、ＰＤチップ他が搭載される側の上面図を、図２の（ｂ）は、（ａ）の上面図でＩＩｂ―ＩＩｂ線で光受信回路を切断した断面図である。図２の光受信回路は、光受信装置や光受信モジュールなどの様々な形態で、基板面などの上に実装・構成されるため、図２ではベースとなる基板は示していない。図２の光受信回路では、１チャネルの光信号２を入力して１チャネルの電気信号を出力するＰＤ１０の実装形態が示されている。光受信回路は、大別して、ＰＤサブマウント４０およびＴＩＡキャリア４２の２つの部分で構成されている。裏面入射型ＰＤ１０およびチップコンデンサ３０が、表面メタライズされたＰＤサブマウント４０の上に搭載されている。ＴＩＡ２０が、表面メタライズされたＴＩＡキャリア４２の上に搭載されている。

【0037】

ＰＤサブマウント４０には、ＰＤ１０の下面から光信号２を入射するための貫通孔４１が設けられている。通常、反射戻り光の影響を避けるために、光信号２はＰＤ受光部１５に対して法線方向から角度をずらして入射させる。従来技術においても述べたように、最適な入射角度はＰＤの光学系構成や材料、光の波長、ＰＤの扱う伝送速度など設計条件によって変わり、ＰＤ１０の実装位置にはある程度の自由度も求められる。したがって貫通孔４１の寸法は、ＰＤ受光部１５の受光径に対して十分に大きくなければならない。

【0038】

ＴＩＡ２０およびはＰＤサブマウント４０上のそれぞれの配置、接続構成は、図１２で説明した従来技術の光受信回路と同じであり、詳細な説明は省略する。従来技術の図１２の光受信回路と、実施形態１の受光素子を用いた図２の光受信回路の構成の違いは、ＰＤ１０の下面、すなわちＰＤサブマウント４０と接触する側の面に、開口領域１６を除いて接地パターン１８が形成されていることである。

【0039】

図３は、実施形態１の受光素子を用いた光受信回路におけるリターン電流の経路を説明する図である。図３では、図２に示した実施形態１の受光素子で発生する光電流と、この光電流に対応するリターン電流を、ボンディングワイヤを描かずに矢印で示している。ＰＤ受光部１５において信号光２から発生した光電流は、高周波信号電流６１として、ＰＤアノード電極パッド１１からボンディングワイヤ５１を経由しＴＩＡ入力シグナルパッド２１に流れ込む。カソード電極パッド１２は、チップコンデンサ３０を介して高周波的にＰＤサブマウント４０のグランド電位面に接地されている。ＴＩＡ２０に向かう信号電流６１の伝送に対して、逆向きに、ＴＩＡ２０からリターン電流が流れる。リターン電流６７ａ、６７ｂは、グランドパッド２３ａ、２３ｂからそれぞれのボンディングワイヤ５７を経て、ＰＤサブマウント４０のグランド電位面に流れ込む。

【0040】

ボンディングワイヤ５７から流れ込んだリターン電流６７ａ、６７ｂは、ＰＤサブマウント４０のグランド電位面に接触する、ＰＤ１０の下面に形成された接地パターン１８を、さらにリターン電流６８ａ、６８ｂとして流れる。従来技術の光受信回路で図１７に示した貫通孔４１を迂回する経路のリターン電流６９ａ、６９ｂと比較すれば、違いは明らかである。図３において、ＰＤ下面の接地パターン１８を流れるリターン電流６８ａ、６８ｂは、迂回することなく最短距離でチップコンデンサ３０のグランド電位面まで到達する。信号電流およびリターン電流は、それぞれ最短距離で、最小の開口の電流ループを形成するように流れる。貫通孔４１で生じていたリターン電流の迂回を、ＰＤ下面の接地パターン１８で解消することにより、高周波伝送線路の電磁界の乱れによる不要な共振や放射ノイズを抑えて、フラットな高周波伝送特性が得られる。

【0041】

したがって本発明は、光受信回路であって、表面がメタライズされたサブキャリア４０、前記サブキャリア上の受光素子１０であって、基板の一方の面上に構成された、光信号の受光部１５と、前記受光部のアノードに接続されたアノード電極パッド１１と、前記受光部のカソードに接続されたカソード電極パッド１２と、前記基板の素子構成面とは反対の面で、前記受光部に対応する位置にある開口領域１６の外に形成された接地パターン１８とを備えた、受光素子、並びに、前記アノード電極パッドと電気的に接続される信号入力パッド２１、および、前記サブキャリアの前記メタライズされた接地面に電気的に接続されるグランドパッド２３ａ、２３ｂを有するトランスインピーダンス・アンプ２０を備え、前記カソード電極パッドから前記信号入力パッドへ流れる信号電流６１、６２に対して、リターン電流が、前記グランドパッドから前記接地パターンを含む経路６８ａ、６８ｂを流れるものとしても実施できる。

【0042】

本開示の実施形態１の受光素子では、ＰＤ１０の下面で、受光部１５に対応する位置に同心円状に開口領域１６を開けて、開口領域１６を除いた全面を接地パターンとする構成を示した。図３に示したように貫通孔によるリターン電流の迂回を解消し、最短経路となるようにリターン電流６８ａ、６８ｂの経路を確保すれば、高周波伝送線路の電磁界の乱れが解消される。したがって、ＰＤ１０の下面における接地パターンの構成は図１に示したものには限られない。

【0043】

図４は、実施形態１の受光素子の別の接地パターンによる構成を示す図である。図４の（ａ）は、受光素子の構成面（ｘ－ｙ面）を上方から見た上面図、（ｂ）は構成面の裏側を見た背面図、（ｃ）は（ａ）のＩＶｃ―ＩＶｃ線で基板面に垂直に切断した断面図である。図１のＰＤの構成との相違点は、ＰＤの下面の接地パターン１９の形状だけである。図４の（ｂ）で示したように、アノード電極１１とカソード電極１２を結ぶ線に概ね平行に、ブリッジ状にＰＤチップ端の間を接続した帯状の部分的な接地パターン１９ａ、１９ｂを設けることによっても、リターン電流経路の迂回を解消できる。図３の光受信回路の構成を参照すれば、信号電流６２、６１が流れる向きは、アノード電極パッド１１、受光部１５およびカソード電極パッド１２を結ぶ直線に沿ったものである。リターン電流もこの信号電流の流れと平行・逆向きとなるように、ＰＤの下面で接地パターンがあれば、電流ループの最小化、最短化が実現される。この点で、アノード電極パッド１１、受光部１５およびカソード電極パッド１２ができるだけ一直線に配置されるのが好ましい。

【0044】

したがって本開示の受光素子は、アノード電極パッド１１、受光部１５およびカソード電極パッド１２は、直線に沿って配置されており、前記接地パターンは、前記開口領域の両脇に、前記直線に平行な帯状の形状１９ａ、１９ｂを有するものとして実施できる。アノード電極パッド１１、受光部１５およびカソード電極パッド１２の配置は、概ね直線上にあれば良く、図３に示したように信号電流とリターン電流が直線的に、最小の電流ループを形成すれば良い。

【0045】

通常、表面メタライズされたＰＤサブマウントの上に、裏面入射型ＰＤを固定するには、導電性接着剤やはんだ等が用いられる。図４の（ｂ）に示したように、接地パターン１９ａ、１９ｂと、開口領域１６との間に間隔を設けることによって、導電性接着剤やはんだ等が開口領域１６内へ流れ込むのを避けることもできる。

【0046】

［実施形態２］
図５は、実施形態２の受光素子の構成を示す図である。図５の（ａ）は、受光素子の構成面（ｘ－ｙ面）を上方から見た上面図、（ｂ）は構成面の裏側を見た背面図、（ｃ）は（ａ）のＶｃ―Ｖｃ線で基板面に垂直に切断した断面図である。光信号２から電気信号を出力する構成・動作は、図１に示した実施形態１の受光素子１０と同じであり、図１の構成との相違点のみを説明する。

【0047】

図１で示した実施形態１の受光素子との相違点は、ＰＤ１０の下面の開口領域に対応する領域に、入射された光信号２が受光部１５において集光される曲率を有するレンズ１７が形成されていることである。またＰＤ１０の下面には、レンズ１７を除いた領域の全体に接地パターン１８が形成されている。端的には、図１の開口領域１６の位置のＰＤ基板の下面上にレンズ１７が形成されている。

【0048】

図６は、実施形態２の受光素子を用いた光受信回路の実装例を示す図である。図６の（ａ）は、ＰＤチップ他が搭載される側の上面図を、図６の（ｂ）は、（ａ）の上面図でＶIｂ―ＶIｂ線で光受信回路を切断した断面図である。ＴＩＡ２０およびＰＤサブマウント４０上のそれぞれの配置、相互の接続構成は、図１２で説明した従来技術の光受信回路と同じであり、詳細な説明は省略する。図１２の従来技術の光受信回路と、実施形態２の受光素子を用いた光受信回路との構成の相違点は、ＰＤ１０の下面、すなわちＰＤサブマウント４０と接触する側の面に、レンズ１７が形成される領域を除いて接地パターン１８が形成されていることである。実施形態１では単なる開口領域１６であったのに対し、本実施形態では同じ領域がレンズ１７となっている点を除けば、図６で示した実施形態２と図２で示した実施形態１は同じ形態で光受信回路が構成されている。

【0049】

本実施形態の受光素子でも、図３に示した実施形態１におけるリターン電流と全く同じ最短化されたリターン電流経路が得られる。すなわち、ＰＤ１０の受光部１５で発生する高周波信号電流６１は、ＰＤアノード電極パッド１１からボンディングワイヤ５１を経由しＴＩＡ入力シグナルパッド２１に流れ込む。ＴＩＡ２０に向かう信号電流６１の伝送に対して、逆向きに、ＴＩＡ２０からリターン電流が流れる。リターン電流６７ａ、６７ｂは、グランドパッド２３ａ、２３ｂからそれぞれのボンディングワイヤ５７を経て、ＰＤサブマウント４０のグランド電位面に流れ込む。

【0050】

ボンディングワイヤ５７から流れ込んだリターン電流６７ａ、６７ｂは、さらに、ＰＤサブマウント４０のグランド電位面に接触する、ＰＤ１０の下面に形成された接地パターン１８を、リターン電流６８ａ、６８ｂとして流れる。図５のＰＤ下面でレンズ１７の周りの接地パターン１８を流れるリターン電流は、図３に示したように迂回することなく最短距離でチップコンデンサ３０のグランド電位面まで到達する。信号電流およびリターン電流は、それぞれ最短距離で、最小の開口の電流ループを形成するように流れる。貫通孔４１で生じていたリターン電流の迂回を、ＰＤ下面のレンズ１７の周りの接地パターン１８で解消することにより、高周波伝送線路の電磁界の乱れによる不要な共振や放射ノイズを抑えて、フラットな高周波伝送特性が得られる。

【0051】

さらに本実施形態では、ＰＤ１０にレンズ１７を集積することによって、信号光と受光部との光結合効率を向上させ、実装トレランス（実装位置の許容差）の低下を防ぐことができる。さらに図２の光受信回路では示していなかったレンズを、予め受光素子と一体に集積しておくことで、レンズとＰＤ１０と間でアライメント作業が不要となり、実施形態１の光受信回路に比べて実装コストを減らすことができる。

【0052】

本実施形態では、ＰＤ１０の下面において、レンズ１７と同じ形状で、受光部１５と同心円状に接地パターンのメタルを取り除いた開口領域１６とした。すなわち、ＰＤ１０の下面の開口領域１６を除いて、全面がメタライズされた接地パターン１８である。図３に示したように貫通孔によるリターン電流の迂回を解消し、最短経路となるリターン電流の経路が確保されれば、高周波伝送線路の電磁界の乱れが解消される。したがって、ＰＤの下面における接地パターンの構成は図５のものに限られない。上述の図４に示したような接地パターンの変形が可能であり、ブリッジ状に接続した部分的な接地パターン１９ａ、１９ｂであっても良い。

【0053】

上述の各実施形態は、１チャネルの光信号を入力して１チャネルの電気信号を出力する１チャネル受光素子の場合を示した。本開示の受光素子の構成は、複数のチャネルの光信号を入力して対応する電気信号を出力するＰＤアレイチップに適用することで、さらに優れた高周波伝送特性を実現する効果を発揮する。

【0054】

［実施形態３］
図７は、実施形態３の受光素子の構成を示す図である。図７の（ａ）は、受光素子の構成面（ｘ－ｙ面）を上方から見た上面図、（ｂ）は構成面の裏側を見た背面図、（ｃ）は（ａ）のＶIIｃ―ＶIIｃ線で基板面に垂直に切断した断面図である。本実施形態の受光素子は、ＰＤアレイ１００であって、図１に示した裏面入射型ＰＤ１０を４つ配列して１つのチップに集積化したものである。

【0055】

それぞれのＰＤは、受光部１５０と、アノード電極パッド１１０と、カソード電極パッド１２０を備えており、同じ構成の４つのＰＤがアレイ化されている。ＰＤアレイ１００の下面側から入射された光信号２は、ＰＤ内を透過して上面に形成された受光部１５０で光信号から電気信号に変換され、電気信号がアノード電極およびカソード電極から出力される。図１５に示した従来技術のＰＤアレイ１０１との相違点は、ＰＤアレイ１００の下面において、光信号を入射する４つの開口領域１６０を除いた下面の全体に、一体の接地パターン１８０が形成されていることである。

【0056】

図８は、実施形態３のＰＤアレイチップを用いた光受信回路の実装例を示す図である。図８の（ａ）は、ＰＤチップアレイ他が搭載される側の上面図を、図８の（ｂ）は、（ａ）の上面図でＶIIIｂ―ＶIIIｂ線で光受信回路を切断した断面図である。この光受信回路は、４チャネルの光信号２を入力して４チャネルの電気信号を出力する。ＰＤアレイ１００およびチップコンデンサ３００は、表面メタライズされたＰＤサブマウント４００の上に搭載されている。ＴＩＡ２００は、表面メタライズされたＴＩＡキャリア４２０の上に搭載されている。

【0057】

ＰＤサブマウント４００には、ＰＤアレイ１００の裏面から４チャネル分の光信号を入射するために、１つにまとめた大きな貫通孔４１０が設けられている。図２で実施形態１の単一受光素子の光受信回路についても述べたように、反射戻り光の影響を避けるため、光信号２はＰＤ受光部１５０に対して法線方向から角度をずらして入射させる。最適な入射角度はＰＤの光学系構成や材料、光の波長、ＰＤの扱う伝送速度など設計条件によって変わり、ＰＤアレイ１００の実装位置にはある程度の自由度も求められる。加えて、ＰＤサブマウント４００の材料であるセラミックの加工精度や、加工可能な孔のサイズの問題から、貫通孔４１０の端部および短辺側の寸法はＰＤ受光部の受光径に対して十分に大きくなければならない。

【0058】

ＴＩＡチップ２００は４系統の増幅回路を備えた多チャネルＴＩＡであり、図１５で説明をした従来技術のＴＩＡと同じ構成を持ち、従来技術と同様にＰＤアレイ１００と電気的に接続されている。図１５の従来技術の光受信回路と、本実施形態の光受信回路との相違点は、ＰＤアレイ１００下面、すなわちＰＤサブマウント４００と接触する側の面に、光信号２を入射する４つの開口領域１６０を除いて、全面に接地パターン１８０が形成されていることである。

【0059】

図９は、実施形態３のＰＤアレイを用いた光受信回路におけるリターン電流の経路を説明する図である。図９では、図８に示した実施形態３のＰＤアレイ１００で、４つのチャネル６０１～６０４で発生する光電流と、これらの光電流に対応するリターン電流を、ボンディングワイヤを描かず矢印で示している。４つのＰＤの各ＰＤ受光部１５０で信号光２から発生した光電流は、信号電流６１０として、ＰＤアノード電極パッド１１０からボンディングワイヤ５１０を経由しＴＩＡ入力シグナルパッド２１０に流れ込む。カソード電極パッド１２０は、チップコンデンサ３００を介して高周波的にＰＤサブマウント４０のグランド電位面に接地されている。ＴＩＡ２００に向かう４つの高周波信号電流６１０の伝送に対して、それぞれ逆向きに、リターン電流がＴＩＡ２００からＰＤに向かって流れる。

【0060】

実施形態３のＰＤアレイ１００による光受信回路では、図１７で示した従来技術の光受信回路の場合とは大きく異なり、ＴＩＡチップ２００の４つのチャネル６０１～６０４のいずれのチャネルでも同様に、直線的に最短距離でリターン電流が流れる。例えば、図９の右端のチャネル６０４に着目すれば、リターン電流６７０ａ、６７０ｂは、グランドパッド２３０ａ、２３０ｂからそれぞれのボンディングワイヤ５７０を経て、ＰＤサブマウント４００のグランド電位面に流れ込む。ボンディングワイヤ５７０から流れ込んだリターン電流６７０ａ、６７０ｂは、まずＰＤサブマウント４００のグランド電位面に流れ込む。さらに、グランド電位面に接触する、ＰＤ１００の下面に形成された接地パターン１８０を、直進してリターン電流６８０ａ、６８０ｂとして流れる。

【0061】

図１７に示した従来技術の光受信回路で貫通孔４１０を迂回するリターン電流６９４と比較すれば、図９でＰＤ下面の接地パターン１８０を流れるリターン電流６８０ａ、６８０ｂは、迂回することなく最短距離で直進し、チップコンデンサ３００の直下のグランド電位面まで到達する。信号電流およびリターン電流は、それぞれ最短距離で流れ、最小の開口の電流ループを形成するように流れる。リターン電流は、ＰＤアレイチップの内部側にある他のチャネル６０２、６０３においても、チャネル６０４とまったく同様に、最短距離で、最小の開口の電流ループを形成するように流れる。これは、図１７のＰＤアレイチップの内部側のチャネル６０２、６０３で、リターン電流６９３が貫通孔を大きく迂回していたのと非常に対照的である。貫通孔４１０のために生じていたリターン電流の極端な迂回を、ＰＤ下面の接地パターン１８０で解消することにより、高周波伝送線路の電磁界の乱れによる不要な共振や放射ノイズを抑えて、フラットで良好な高周波伝送特性が得られる。

【0062】

多チャネルを含む光受信回路の内側（中心側）のチャネルにおいては、図１７で示したように接地パターン１８０が無い従来技術の場合のリターン電流経路の迂回量が大きかった。本実施形態の光受信回路では、光受信回路の内側（中心側）のチャネルにおいて、リターン電流の迂回が解消されることによる高周波伝送特性の改善効果が大きい。また多チャネル光受信回路の内側にあるチャネルでは、チップの端の外側のチャネルに比べて、両チャネルからのクロストークが重畳する。このためチップの内側にあるチャネルで、クロストークによる伝送品質の劣化量が多くなる。本実施形態の多チャネルの光受信回路では、いずれのチャネルでも同等にリターン電流が流れるため、多チャネル光受信回路の内側のチャネルにおいて著しい伝送品質の改善ができる。

【0063】

具体的には、図１５に示した従来技術のＰＤアレイを用いた４チャネル光受信回路の伝送特性で、内側のチャネル６０２～６０３における自チャネル信号と隣接チャネルからの漏洩信号との比（クロストーク）は、１０ＧＨｚにおいて約２５ｄＢであった。これに対し、図８に示したＰＤアレイの下面に接地パターンを有する受光素子による実施形態３の光受信回路では、クロストークは１０ＧＨｚにおいて約５０ｄＢとなった。従来技術の構成の光受信回路と比較して、実施形態３の光受信回路では、チップ内側のチャネルにおけるクロストークで、２５ｄＢもの大幅な改善を確認することができた。

【0064】

図７の実施形態３の受光素子では、４つの受光部１５０のそれぞれについて、受光部に対応する位置に、同心円状の開口領域１６０を残して、全面をメタルの接地パターンとした。貫通孔によるリターン電流の迂回を解消し、最短経路となるようにリターン電流の経路を確保できれば、高周波伝送線路の電磁界の乱れが解消される。したがって、ＰＤアレイの下面における接地パターンの構成は、図７のものに限られない。例えば、接地パターンの開口領域の形状は必ずしも同心円状である必要はなく、入射光に必要な開口が得られれば形状は問わない。また接地パターンも、開口領域を除いた全面である必要はない。

【0065】

図１０は、実施形態３の受光素子の別の構成を示す図である。図１０の（ａ）は、受光素子の構成面（ｘ－ｙ面）を上方から見た上面図、（ｂ）は構成面の裏側を見た背面図、（ｃ）は（ａ）のＸｃ―Ｘｃ線で基板面に垂直に切断した断面図である。図１０の変形例の受光素子は、ＰＤアレイ１００であって、図７に示したＰＤアレイと概ね同じ構成を持つ。図７のＰＤアレイとの相違点は、ＰＤアレイの下面の接地パターンが、開口領域１６０の両脇に、アノード電極パッド、受光素子、カソード電極パッドを結ぶ直線に平行な帯状１９０ａ、１９０ｂに形成されていることである。

【0066】

上述の素子要素を結ぶ直線に平行な、ＰＤアレイチップの両辺を結ぶ帯状の接地パターン１９０ａ、１９０ｂにより、ＴＩＡチップから、ＰＤサブマウントおよびＰＤアレイを経て、チップコンデンサに至るまでの直線的なリターン電流経路を構成できる。ＰＤアレイの下面で、ＰＤアレイチップの両辺をブリッジ状に接続した部分的な接地パターン１９０ａ、１９０ｂを設けることによって、リターン電流経路の迂回が解消される。通常、裏面入射型ＰＤを表面メタライズされたＰＤサブマウントの上に固定するには、導電性接着剤やはんだ等が用いられる。図１０のように接地パターン１９０ａ、１９０ｂと開口領域１６０との間に間隔を設けることによって、導電性接着剤やはんだ等の開口領域１６０への流れ込みを避けることできる。

【0067】

実施形態３の受光素子では、４チャネルの光信号を４チャネルの電気信号に変換する４素子（４チャネル）の受光素子を例にして説明したが、ＰＤアレイ内に備える受光素子の数には、何ら限定は無い。ＰＤアレイの複数のチャネルに対して１つの大きな貫通孔を設ける構成である限り、リターン電流の迂回はチャネル数に関係なくＰＤアレイの共通問題である。受光素子の数が２以上であれば、ＰＤアレイの下面の接地パターンを備えることによって、リターン電流の迂回問題を解消する。

【0068】

以上詳細に説明をしたように、本開示の受光素子および光受信回路によって、良好な高周波伝送特性を実現する。多チャネル化されたＰＤアレイでは、不要な共振や放射ノイズを抑え、チャネル間クロストークを効果的に低減する。

【産業上の利用可能性】

【0069】

本発明は、光通信に利用できる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】