技术领域
背景技术
[0002] 日本
专利公开No.2011-253987A已经公开了一种
半导体光接收器件和配备有该半导体光接收器件的光学组件。图10示意性地示出了在该日本专利中公开的半导体光接收器件130的横截面。半导体光接收器件130在n型InP(磷化铟)衬底132上堆叠n型InGaAs(砷化铟镓)层134和n型InP层136。n型InP衬底132设置有顶层以及与该顶层相对的底层。设置在n型InP衬底132上的n型InGaAs层134具有比n型InP衬底132的带隙
能量小的带隙能量。设置在n型InGaAs层134上的n型InP层136的多个部分具有p型区域138和140。
阴极电极142与p型区域138和包围p型区域138的n型InP层136
接触，而
阳极电极144与p型区域140接触。n型InP衬底132的背面设置有具有低反射率的膜146，入射光束La穿过膜146进入半导体光接收器件130。n型InP衬底132的背面不具有反射率大于膜146的反射率的元件。光学组件利用所谓的
倒装芯片布置方式将该光接收器件130安装在
基座上。尽管从半导体
激光二极管输出的入射光束La进入光接收器件130的背面，但是光接收器件130的安装不限于在上述现有专利文献中公开的那些方式。
[0003] 例如，从半导体激光二极管的前端面(front facet)输出的前端面光束的一部分被分光器分出，并且光接收器件可以感测该部分前端面光束。具体而言，所谓的棱镜分光器类型的分光器可以在其一个表面上安装光接收器件，使得衬底的背面面对并接触该表面。在这样的布置中，光接收器件可以接收从衬底的背面输入的该部分分离光束。
发明内容
[0004] 本发明的一个方面涉及包括半导体激光二极管(LD)、第一透镜、分束器(BS)和半导体
光电二极管(PD)的光发射组件。LD发射发散光束。第一透镜与LD光耦合，并将发散光束转换成
准直光束。BS与第一透镜光耦合，并且将准直光束分成准直监测光束和准直
信号光束。PD具有半导体衬底和半导体堆叠部(stack)。半导体衬底具有背面以及与背面相对的顶面。背面与BS光耦合并且接收准直监测光束。顶面与设置在其上的半导体堆叠部形成菲涅
耳界面。本发明的光发射组件的特征在于：PD以在PD与BS之间插入有增透膜的方式安装在BS上，增透膜消除了通过半导体衬底的底面进入的准直监测光束在半导体衬底的顶面与底面之间产生的多次反射。
[0005] 本发明的光发射组件还可以包括其他LD、其它第一透镜、其它BS、其它PD、光学系统和第二透镜，其中，LD的总数量、第一透镜的总数量、BS的总数量和PD的总数量彼此相等。LD发射具有彼此不同的
波长的发散光束。第一透镜将发散光束转换成准直光束。BS将准直光束分成准直监测光束和准直信号光束。PD接收准直监测光束。光学系统将准直信号光束多路复用成多路复用光束。第二透镜将多路复用光束会聚到与光发射组件组装在一起的光纤的端部上。各个第一透镜、各个BS和第二透镜形成各个LD与光纤之间的双透镜系统。PD接收准直监测光束。本发明的多信道光发射组件的特征在于：PD以在PD与BS之间插入有增透膜的方式安装在BS上。
附图说明
[0006] 现在将仅参考附图通过举例来描述本发明，在附图中：
[0007] 图1示出了根据一个
实施例的光学组件的内部；
[0008] 图2是示意性地示出光学组件的内部的平面图；
[0009] 图3示意性地示出了在光学组件中实现的光耦合系统；
[0010] 图4示出了光电二极管(PD)和PD周围的部分的横截面；
[0011] 图5示出了能够与本发明的耦合系统进行比较的另一种光耦合系统；
[0012] 图6示出了当进入PD的准直光束保持幅值恒定时PD对波长和
温度的响应；
[0013] 图7示意性地示出了透明
树脂膜、增透膜、半导体衬底和设置在半导体衬底上的半导体堆叠部的布置；
[0014] 图8A和图8B示出了从透明树脂膜到半导体堆叠部的透射率；
[0015] 图9示出了随增透膜的折射率变化而变化的从透明树脂膜到半导体堆叠部的透射率的最小值和最大值的比率；以及
[0016] 图10示意性地示出了在现有专利文献中公开的半导体光接收器件的布置。
具体实施方式
[0017] 接下来，将参考附图描述根据本发明的实施例。在实施例的描述中，将用彼此相同或相似的附图标记来表示彼此相同或相似的部件，而不做重复说明。
[0018] 图1是示出根据本发明的光发射组件的内部的透视图。图2是示意性地示出了在根据本发明的光学组件1A内实现的光耦合系统的平面图。如图1和图2所示，光学组件1A为所谓的光发射子组件(TOSA)的类型，并且包括矩形壳体2和具有凸缘的筒状光耦合单元3。光学组件1A还设置有半导体激光二极管(LD)11a至11d、第一透镜12a至12d、分束器(BS)13、光电二极管(PD)14a至14d和光耦合系统18。LD 11a至11d、第一透镜12a至12d、BS 13、PD 14a至14d、光耦合系统18设置在基座7的平面上。LD 11a至11d、第一透镜12a至12d和PD 14a至14d的数量彼此相等。也就是说，本实施例的光学组件1A是配备有四个信号通道的光发射组件。因此，有时将光学组件1A称为多信道光发射组件。
[0019] 光学组件1A中的LD 11a至11d被独立地驱动并且发射
激光束L1a至L1d，激光束L1a至L1d是从LD 11a至11d扩散的发散光束。从外部提供供应至LD 11a至11d的驱动信号。可以具有分布反馈(DFB)LD类型的LD 11a至11d被驱动信号调制，并且具有在1.3μm波段中但彼此不同的波长。第一透镜12a至12d与LD 11a至11d光耦合；具体而言，LD 11a至11d设置在第一透镜12a至12d的相应焦点上。作为发散光束的激光束L1a至L1d进入第一透镜12a到12d，并被转换成准直光束L2a到L2d。
[0020] 因为LD 11a至11d不是理想的点
光源，所以经过第一透镜12a至12d的激光束不会变成确切的准直光束，即，变成了似准直光束。也就是说，光束L2a到L2d表现出束腰，然后发散，其中束腰具有最小场直径。
[0021] BS 13设置在从第一透镜12a至12d到第二透镜4(其将在后文中描述)的光路上。更具体而言，BS 13设置在第一透镜12a至12d与光耦合系统18之间。BS 13设置有多层式介电膜，多层式介电膜的法线相对于第一透镜12a至12d的光轴或者相对于从第一透镜输出的准直光束的光轴倾斜。在准直光束L2a至L2d穿过BS 13时，BS 13将准直光束L2a至L2d分成准直监测光束和准直信号光束，其中，准直监测光束的比率为5至10％。安装在BS 13上的PD 14a至14d可以接收由BS 13分出的准直监测光束。
[0022] 通过BS 13与第一透镜12a至12d光耦合的光耦合系统18对准直信号光束进行多路复用，并且包括第一波分复用(WDM)
滤波器15、第二波分复用滤波器16、反射镜17和偏振合束器(PBC)19。
[0023] 通过BS 13与第一透镜12a至12b光耦合的反射镜17设置有如下反射表面：该反射表面布置在第一透镜12a和12b的光轴上并相对于这些光轴倾斜。反射镜17将准直信号光束L2a和L2b反射大致90°的
角度。
[0024] 通过BS 13与第一透镜12c光耦合的第一WDM滤波器15具有如下波长选择表面：该波长选择表面布置在第一透镜12c的光轴上并且相对于该光轴倾斜。第一WDM滤波器15透射来自第一透镜12c的准直信号光束L2c且同时将被反射镜17反射的准直光束L2a朝着PBC 19反射。因此，在准直信号光束L2c透过第一WDM滤波器15而准直信号光束L2a被第一WDM滤波器15反射之后，准直信号光束L2a和L2c的光轴对准，以形成多路复用准直光束L3a。
[0025] 通过BS 13与第一透镜12d光耦合的第二WDM滤波器16具有如下波长选择表面：该波长选择表面布置在第一透镜12d的光轴上并且相对于该光轴倾斜。第二WDM滤波器16透射来自第一透镜12d的准直信号光束L2d，同时反射被反射镜17反射的另一准直信号光束L2b，从而准直信号光束L2b和L2d的光轴可以通过第二WDM滤波器16对准，并且变成多路复用准直光束L3b。
[0026] 可由平板材料制成的PBC 19设置有第一表面19a和第二表面19b，其中，第一表面19a上形成有增透膜19c和偏振选择膜19d，而第二表面19b上形成有反射膜19e和增透膜
19f。第一表面19a上的增透膜19c接收来自第一WDM滤波器15的多路复用准直光束L3a。多路复用准直光束L3a经过PBC 19到达第二表面19b上的反射膜19e，在反射膜19e处被反射，并且到达第一表面19a上的偏振选择滤波器19d。另一方面，来自第二WDM滤波器16的另一多路复用准直光束L3b到达第一表面19a上的偏振选择滤波器19d。尽管在图2中没有示出，但是多路复用准直光束L3a和L3b中的一者在进入PBC 19之前经过半波(λ/2)板，使其偏振旋转
90°。因此，多路复用准直光束L3a和L3b的偏振在PBC 19处变为彼此垂直。因此，例如，多路复用准直光束L3a被偏振选择滤波器19d反射，而另一多路复用准直光束L3b从偏振选择滤波器19d中穿过。因此，两条多路复用准直光束L3a和L3b被PBC 19进一步多路复用，并且从光学组件1A穿过壳体2的前壁2A中的窗口2a输出。
[0027] 光耦合单元3具有配备了第二透镜4和光纤插头6的圆筒形状。第二透镜4与光耦合系统18光耦合，确切而言，通过光耦合系统18和BS 13与第一透镜12a至12d光耦合。光纤插头6
支撑光纤5。第二透镜4可以将从PBC 19输出的多路复用准直光束L4会聚在光纤5的末端上。光耦合单元3在与多路复用准直光束L4对准之后被固定(确切而言，被
焊接)到壳体2的前壁2A上。除了第二透镜4和光纤插头6之外，耦合单元3中还可以配备有光隔离器。
[0028] 本实施例的光学组件1A不具有控制LD 11a至11d、PD 14a至14d和任何其它光学部件的温度的功能。具体而言，光学组件1A未设置有
电子地控制安装在自身上的部件的温度的热电冷却器(TEC)型的Peliter元件。在配置有相对较宽的四个波长信道的光学系统(通常称为粗波分复用(CWDM))中，即使各个LD的温度不受控制，由一个LD产生的
光信号也不会干扰由另一个LD产生的另一个光信号。因此，从适用于这样的光通信系统的光学组件中去除TEC，可以有效地降低光学组件1A的成本。
[0029] 图3示意性地示出了在光学组件1A中实现的光耦合系统，其中，图3示出了与LD 11a至11d、第一透镜12a至12d和PD 14a至14d对应的LD 11、第一透镜12和光电二极管14的元件。
[0030] 从LD 11输出的激光束L1(其作为发散光束)被第一透镜12转换为准直光束L2。该准直光束L2变成经过BS 13并与其它准直光束多路复用的信号光束L4。信号光束L4被第二透镜4会聚并最终进入光纤5。准直光束L2的由BS 13分出的部分L5作为准直监测光束从PD 14的背面进入PD 14，其中，PD 14安装在BS 13上。
[0031] BS 13包括第一玻璃体13a、第二玻璃体13b以及夹在玻璃体13a和13b之间的多层式滤波器13c。玻璃体13a和13b可以由基本上可透过准直光束L2的材料制成，该材料通常是称为BK-7的玻璃材料。第一玻璃体13a设置有倾斜表面13f和底部13d，底部13d面对并固定到安装在壳体2的基部上的基座7上。第二玻璃体13b设置有倾斜表面13g和安装有PD 14的顶面13e。两个倾斜表面13f和13g平行延伸且彼此面对，并将多层式滤波器13c夹在中间。多层式滤波器13c的层数和各层的折射率和厚度可以确定准直光束L2的分束比。倾斜表面13f和13g相对于准直光束L2的光轴形成稍大于45°的角度，该角度可以将监测光束L5相对于顶面13e的法线的入射角度设定为大于0°，以消除被顶面13e与PD 14的底部之间的菲涅尔界面反射而返回LD 11的后向光束。
[0032] PD 14安装在BS 13的顶面13e上，使得PD 14的背面面对并接触顶面13e。PD 14在其背面中接收由BS 13分出的准直监测光束L5。图4示出了BS 13的顶部和PD 14的横截面。PD 14包括可由例如磷化铟(InP)制成的半导体衬底21和设置在半导体衬底21上的半导体堆叠部22。半导体衬底21设置有顶面21a以及与顶面21a相对的背面21b，其中半导体堆叠部
22设置在半导体衬底21的顶面21a上。背面21b面对并且接触BS 13的第二玻璃部件13b的顶面13e。
[0033] 设置在半导体衬底21的顶面21a上的半导体堆叠部22包括第一接触层23、光接收层24和第二接触层25。这些层23至25可以主要由砷化铟镓(InGaAs)的三元
复合材料制成。第一接触层23表现出n型导电，而第二接触层25表现出p型导电。光接收层24可以是本征型的，也就是说，光接收层24未被故意掺杂杂质。第一接触层23与n型电极26形成非整流接触，而第二接触层25与p型电极27形成另一非整流接触。半导体堆叠部22被绝缘膜28
覆盖。n型电极26和p型电极27通过形成在绝缘膜28中的开口分别与第一接触层23和第二接触层25直接接触。另外，n型电极26和p型电极27通过图中未示出的相应接合线与安装在壳体2内的
电路板电连接。
[0034] 在替代方案中，PD 14利用倒装芯片接合方式安装在BS 13上。然而，由于BS 13必须在其表面上提供金属互连，因此倒装芯片接合方式固有地表现出成本缺点。此外，本发明的PD 14检测准直监测光束的平均值，这意味着PD 14不必表现出实质的
频率响应。因此，降低了较高频率下PD 14周围的响应劣化的倒装芯片接合方式变得冗余。因此，本发明的光学组件1A将PD 14安装在BS 13上，使得PD14的背面面对并接触BS 13的顶面13e，并且设置在PD 14的顶面上的电极26和27被
引线键合。分出的准直光束L5进入PD 14的背面，即进入半导体衬底21的背面21b。
[0035] 半导体衬底21的背面21b设置有可由多层式介电膜制成的增透膜29(通常为氮化
硅(SiN))，以补偿半导体衬底21和第二玻璃体13b之间折射率的不匹配。
[0036] PD 14还可以在第二接触层25(即，PD 14的顶面)上设置增透膜29。即使在背面照射的布置中，该增透膜29也可以是有效的。有效地禁止经过光敏层24而到达第二接触层25的光束被第二接触层25与空气之间的界面反射并返回光敏层24。
[0037] 光学组件1A可以在增透膜29与第二玻璃部件13b的顶面13e之间设置透明树脂31。半导体衬底21的背面21b经由透明树脂31附接至顶面13e。透明树脂31可以是填充增透膜29与顶面13e之间的间隙的树脂。也就是说，在增透膜29与顶面13e之间的间隙中，除了设置包含空气的透明树脂31以外，没有设置其它材料。因此，半导体衬底21的背面21b通过增透膜
29、透明树脂31和第二玻璃体13b与多层式滤波器13c光耦合。透明树脂31可以是折射率基本等于第二玻璃部件13b的折射率的紫外线
固化树脂，当第二玻璃部件13b由BK-7制成时，第二玻璃部件13b的折射率约为1.5。
[0038] 接下来，将描述本实施例的光学组件1A要解决的问题。在图5所示的常规光学组件100中，在第一透镜102与第二透镜104之间放置有附加透镜103，并且LD 101被设置在与第一透镜102的焦点间隔开的
位置，这意味着从LD 101输出的光束L被第一透镜102会聚，使得从第一透镜102输出的光束变成形成了束腰的会聚光束，然后被附加透镜103准直。BS 113设置在两个透镜102和103之间，由此通过分束将会聚光束的一部分提供给PD 114。因此，光束的被BS 113分出的部分在被会聚的情况下前往PD 114。
[0039] 图5中示出的常规光学组件具有用于将激光束L与光纤耦合的所谓三透镜系统。然而，从使光学组件紧凑并降低成本的观点来看，较少透镜的系统是优选的。已经研究了图3所示的本发明的双透镜系统；也就是说，去除了附加透镜103，并且发散激光束L被第一透镜102转换成准直光束。
[0040] 然而，双透镜系统不可避免地表现出准直光束(不是会聚光束)进入PD的问题。这种布置导致PD内的多次反射，并且进入PD的光敏层的光束的强度表现出干扰。通过改变PD或光学组件的温度和/或改变进入PD的光束的波长，PD的输出反映出多次内部反射。配备在光发射器内的光学组件通常提供如下功能：通过将PD的输出反馈到供应至LD的偏置
电流来保持输出光功率。取决于多次内部反射的PD输出的变化或
波动将LD的输出强度设置为是不稳定的。
[0041] 图6示出了当进入PD的准直光束的功率被设定为恒定时PD的电输出与进入PD中的光束的波长之间的关系以及PD的电输出与PD的温度之间的关系，其中横轴表示波长，而纵轴表示以任意单位示出的PD的输出强度。曲线G1到G6对应于在温度25、40、50、60、70和80℃下获得的曲线。在本实验中，PD在其背面上没有设置供光束穿过而进入PD内的增透膜。
[0042] 参考图6，PD的输出强度随波长三角函数地变化(输出强度的幅值约为0.6dB)，并且还随温度变化，这表明在PD内发生多次反射。图6中的曲线G1至G6还表明：三角函数变化表现出约1.3nm的周期。三角函数变化的周期、形成半导体衬底的InP的折射率和准直光束的波长可以导致用于多次反射的界面之间的距离为203.1μm，这基本上等于PD的半导体衬底的厚度(其为200μm)。因此，多次反射的一个界面可以是半导体衬底与BS之间的界面，或半导体衬底与透明树脂之间的界面；而另一界面可以是半导体衬底与半导体堆叠部之间的界面。
[0043] 由InP制成的半导体衬底具有3.20的折射率，并且由玻璃制成的BS具有1.50的折射率。当半导体堆叠部由InGaAs制成时，折射率为3.92。因此，半导体衬底与BS之间的界面以及半导体衬底与半导体堆叠部之间的界面导致它们折射率的各种差异；也就是说，两个界面都会导致菲涅耳反射。因此，可能在半导体衬底内发生多次内部反射。
[0044] 在图5所示的常规光学系统中，PD接收会聚光束L，这不可避免地使进入PD的光束的入射角度分散。因此，入射光束的多次内部反射可能不会发生，或者至少不会影响PD的灵敏度。
[0045] 为了消除多次反射，半导体衬底与BS之间的界面以及半导体衬底与半导体堆叠部之间的界面中的至少一者需要减少自身的反射。半导体衬底与半导体堆叠部之间的界面是改变半导体材料所必需的。然而，半导体材料是基于用于实现光电转换的设计功能的光学特性来确定的，并且难以或几乎不可能改变半导体材料。另外，如上所述，半导体衬底与半导体堆叠部之间的界面表现出两种材料的折射率之间的相对较小的差异，该差异反映性地表现出为小于1.0％。因此，半导体衬底与半导体堆叠部之间的界面处的反射率的降低可能是无效的。半导体衬底与BS之间的界面变得有效。
[0046] 也就是说，本实施例提供了在衬底21的背面21b中具有增透膜29的PD 14。增透膜29可以减少半导体衬底21与透明树脂31(或BS 13的折射率与透明树脂31的折射率大致相同的第二玻璃部件13b)之间的界面处的菲涅耳反射。
[0047] 图7示意性地示出了透明树脂31、增透膜29、半导体衬底21和半导体堆叠部22的结构。来自BS 13并具有1.30至1.32μm波长的准直光束L5以10°的入射角进入增透膜29，并且透过增透膜29和半导体衬底21到达半导体堆叠部22。当不存在增透膜29时，如图8A所示，从透明树脂31到半导体堆叠部22的透射率变为：最大值为-0.343dB和最小值为-0.991dB(这导致0.648dB的比率(最大值/最小值))，以及周期为1.35nm。另一方面，当该结构在半导体衬底21的背面21b中设置有增透膜29(其中，增透膜具有1.789的折射率和0.183μm的厚度d)时，如图8B所示，从透明树脂31到半导体堆叠部22的透射率变为：最大值为-0.045dB和最小值为-0.401dB(比率为0.356dB)，以及周期为1.35nm。
[0048] 因此，在没有增透膜29的情况下，透射率表现出0.648dB的变化量，但是对于具有增透膜29的布置，透射率的变化量为0.356dB，这基本上是没有增透膜29的情况下的透射率的变化量的一半。透射率的计算表明：折射率为2.191的增透膜29实现了不反射的情况，折射率为2.07的增透膜29实现了透射率的变化量在0.1dB内，以及折射率为2.14至2.16的增透膜29导致透射率的变化量小于0.05dB。
[0049] 图9示出了透射率的变化量(即最大透射率与最小透射率的比率)与增透膜29的折射率的关系。可以理解的是，增透膜29优选地具有大于2.07的折射率，以便将PD 14的灵敏度变化量抑制为小于0.1dB。当增透膜29具有大致等于2.2的折射率时，由InP制成的半导体衬底21与透明树脂31之间的界面处的菲涅耳反射消失，这意味着透射率不发生变化。
[0050] 增透膜29的折射率和厚度均影响透射率的变化量。另一个计算表明：当增透膜29具有0.15至0.16μm的厚度时，透射率的变化量小于0.1dB。由氮化硅(SiN)制成的增透膜可以实现用于消除透射率变化的此类情况。取决于Si组合物，SiN膜可以表现出1.6至2.5的折射率。作为本领域常用材料的氮
氧化硅(SiON)和
二氧化硅(SiO2)表现出最多约2.0和约1.45的折射率，因此，这些材料对于本实施例的构造是不够的。
[0051] 适用于例如密集波分复用(DWDM)系统的光学组件通常或不可避免地设置有热电
控制器(TEC)以保持LD的温度恒定，进而保持激光束的波长，这是因为DWDM系统中的波长范围相对较窄。TEC不仅安装有LD，而且还安装有其它光学部件，包括监测LD的输出功率的PD。温度保持恒定的PD可以基本上表现出透射率不变化，也就是说，在此类系统中配备的PD不必在半导体衬底的背面设置增透膜。本实施例的光学组件1A未设置有用于控制LD和PD的温度的热电控制器(TEC)，半导体衬底背面处的增透膜变得有效。
[0052] 因此，本实施例的光学组件1A可以抑制随温度和波长变化而变化的入射光束的强度变化。因此，可以稳定且可靠地控制LD的光输出功率。另外，从LD到光纤的光学系统可以仅设置两个透镜，其中一个透镜准直从LD输出的发散光束，而另一个透镜将由此准直的光束会聚到光纤上。可以紧凑地形成光学组件1A。
[0053] 根据本发明的光学组件的构造不限于本实施例的构造，并且可以对本实施例的构造进行各种变化和
修改。例如，本实施例的PD设置有由InP制成且在背面具有增透膜的半导体衬底和由InGaAs制成的半导体堆叠部。然而，PD也可以设置其它结构和材料。另外，本实施例在增透膜和分束器的第二玻璃部件之间设置有透明树脂。然而，增透膜也可以在没有透明树脂的情况下与第二玻璃部件直接接触。
[0054] 本
申请要求2016年10月20日提交的日本专利申请No.2016-205969的优先权，该日本专利申请以引用的方式并入本文。
