CN104813209B - 单芯光收发器 - Google Patents

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Abstract

一种单芯光收发器(1)，其是经由单一光纤(2)收发光信号的光收发器。该单芯光收发器(1)具备发送光信号的发光元件(13)以及接受光信号的受光元件(12)。发光元件(13)是包含在受光元件(12)的受光面(12a)上并与受光面(12a)同轴配置的蓝宝石基板(13b)以及在蓝宝石基板(13b)上层叠的氮化物半导体层(13a)而构成的LED。通过在受光元件(12)的受光面(12a)上配置发光元件(13)，能够在整个受光面(12a)接受来自于光纤(2)的光信号，从而提高受光灵敏度。

Description

单芯光收发器
技术领域
本发明涉及光传输器件，尤其为一种单芯光收发器。
背景技术
在现有的光纤通信用的光收发器中，由于用光纤连接本机的发送侧与对方机器的接收侧，用光纤连接本机的接收侧与对方机的发送侧，因此需要多个光纤。因此，从装置构成的简单化观点看，例如在日本特开2003-307656号公报所记载的光收发用模块中，采用了通过使用分波滤波器来将发光元件的光轴与受光元件的光轴结合于单一纤维的结构。另外，作为光纤侧的结构，例如在日本特开平10-200154号公报所记载的光半导体元件中，在同一基板上分别形成发光部和受光部，在基板的中心部配置有发光部，并以围着发光部的方式环状地配置有受光部。
发明内容
然而，在上述的专利文献2那样的结构中，发光部位于基板的中心，在其周围配置受光部，因而在受光部不能接收来自于光纤的光中光强度最强的中心部分的光，可以认为不能得到充分的受光灵敏度。另外，由于在同一基板上形成发光部和受光部，因此也有材料受到限制这样的问题。
本发明是为了解决上述问题而作出的，其目的在于提供一种使用了单一的光纤的光通信中能够充分地确保受光灵敏度的光收发器。
为了解决上述问题，本发明所涉及的单芯光收发器是经由单一光纤而收发光信号的光收发器，具备发送所述光信号的发光元件、以及接收所述光信号的受光元件，所述发光元件是包含在所述受光元件的受光面上与该受光面同轴配置的蓝宝石基板、以及在所述蓝宝石基板上层叠的氮化物半导体层而构成的LED。在该单芯光收发器技术方案中，在受光元件的受光面上将蓝宝石基板与受光面同轴配置，在该蓝宝石基板上形成氮化物半导体层而构成成为发光元件的LED。在该结构中，通过受光元件与发光元件同轴配置，可以与单一光纤结合。另外，通过对发光元件的基板使用蓝宝石基板，能够使光纤的传送损失小的波长带的光信号通过蓝宝石基板而到达受光元件的受光面。因此，即使在受光元件的受光面上配置发光元件，也能够在整个受光面接收来自于光纤的光信号，能够充分地提高受光灵敏度。
在上述单芯光收发器技术方案中，所述发光元件经由相对于该发光元件的发光波长具有透明性的树脂而固定在所述受光元件的所述受光面上。所述树脂为环氧类树脂或硅酮类树脂。另外，发光元件优选为经由相对于该发光元件的发光波长具有透明性的树脂而固定在受光元件的受光面上。这种情况下，因此能够进一步充分提高受光灵敏度。
在上述单芯光收发器技术方案中，发光元件的负极电极垫和正极电极垫均设置在发光元件的发光面侧。在该情况下，不需要在发光元件的背面(发光面的相反面)形成电极或配线等，因而能够充分地确保蓝宝石基板的光信号的透过区域。因此，能够进一步充分地提高受光灵敏度。
在上述单芯光收发器技术方案中，从所述发光元件发送的所述光信号的波长范围为450nm～600nm。所述发光元件发送的所述光信号的波长优先为510nm绿光。通过使用该波长带的光信号，能够充分地确保蓝宝石基板的透过率。因此，能够进一步充分地提高受光灵敏度。
在上述单芯光收发器技术方案中，还具备在所述发光元件工作时使所述受光元件的工作停止、在所述受光元件工作时使所述发光元件的工作停止的开关。由此，能够抑制发光元件的发光所引起的受光元件的噪音、或者受光元件受光时的漫反射所引起的不良情况。另外，可以设置为所述受光元件正负极之间经由放电开关而连接，在所述发光元件工作时，所述放电开关设为导通，在所述受光元件工作时，所述放电开关设为关断。或者，也可设置为所述受光元件的负极端经由放电开关而连接至基准电位，在所述发光元件工作时，所述放电开关设为导通，在所述受光元件工作时，所述放电开关设为关断。由此，能够在发送模式时，对起因于发光元件所产生的光而在受光元件内产生的电荷进行放电。从而抑制了误动作，并能够在切换至接收模式时迅速地转移至通常动作。
在上述单芯光收发器技术方案中，所述单一光纤为塑料光纤。塑料光纤与绿光相匹配，在光通信中，能够充分地确保受光灵敏度。
本发明的优点是，本发明单芯光收发器中的发光元件和受光元件的同轴设置，使得用单一光纤能够实现光收发功能；采用“半双工”工作模式，能实现单芯双向光通信功能；另外，选择蓝宝石基板用作发光元件的基板，选择绿光作为传输光信号，选择塑料光纤作为光传输介质，能够使光纤的传送损失小、充分地提高受光灵敏度。
附图说明
图1是使用本发明的一个实施方式所涉及的单芯光收发器而构成的光通信系统的示意图。
图2是本发明单芯光收发器的结构剖面示意图。
图3是本发明单芯光收发器的平面示意图。
图4是本发明单芯光收发器的实现半双工通信功能的构成要素示意框图。
图5是光收发器没有控制开关情况下的时序图。
图6是本发明单芯光收发器的半双工通信方式的时序图。
图7是本发明单芯光收发器的实现半双工通信功能的一个方式的示意框图。
图8是本发明单芯光收发器的实现半双工通信功能的其他方式的示意框图。
图9是表示本发明的效果确认实验的结果列表图。
符号说明
1…单芯光收发器，2…光纤，3…透镜，11…引线框，12…受光元件，12a…受光面，13…发光元件，13a…氮化物半导体层，13b…蓝宝石基板，13c…发光面，14…树脂层，21…负极电极垫，22…正极电极垫，23…导线，24…导线，25…负极电极垫，26…导线，31…开关，32…控制部。
具体实施方式
以下，边参照附图，边就本发明所涉及的单芯光收发器的优选实施方式详细地进行说明。
图1是表示使用本发明的一个实施方式所涉及的单芯光收发器而构成的光通信系统的概要示意图。如该图所示，光通信系统S是用单一的光纤2连接一对单芯光收发器1(1A、1B)的、例如在局域网使用的一芯双向系统。另外，在光通信系统S中，通过光收发器1A，1B侧的功能，以发送与接收不同时工作的半双工通信方式实现光信号的收发。
进行光信号的收发的单芯光收发器1，如图2所示，经由透镜3而结合于光纤2。对于光纤2，例如使用芯径为1mm左右的大口径的塑料光纤。在塑料光纤中，对典型地波长450nm～600nm左右的光传送损失为100dB/km，进一步具有使500nm～550nm左右的光、特别是510nm附近的光传送损失最小的特性。
单芯光收发器1具备形成在引线框11上的受光元件12、形成在受光元件12上的发光元件13而构成。受光元件12例如是Si光电二极管，其通过将引线框11作为正极电极，在引线框11上依次层叠p型半导体层、n型半导体层、绝缘层、以及贯通绝缘层而至n型半导体层的负极电极垫25(参照图3)在俯视状态下形成矩形状。另外，在与受光元件12中的引线框11相反侧的面，设置有大致圆形状的受光面12a，接收从光纤2侧出射的波长450nm～600nm左右的光信号。
另一方面，发光元件13例如是在蓝宝石基板13b上层叠氮化物半导体层13a而成的LED。蓝宝石基板13b是对近紫外线至红外线光的宽范围的波长具有透过性的基板，其配置在受光元件12的受光面12a上。发光元件13通过在该蓝宝石基板13b上将缓冲层、n型GaN包覆层、InGaN/GaN活性层、以及p型GaN包覆层作为氮化物半导体层13a依次层叠，在俯视状态下形成为矩形状。另外，在发光元件13中的与蓝宝石基板13b相反侧的面，设置有大致矩形状的发光面13c，将波长450mn～600nm左右的光信号出射至光纤2侧。
发光元件13相对于受光元件12的受光面12a足够小地形成，在受光面12a的大致中心部分与受光面12a同轴配置。该发光元件13，在使蓝宝石基板13b与受光面12a相对的状态下，经由相对于发光元件13的发光波长为透明的树脂层14、例如由环氧类树脂或硅酮类树脂构成的粘着剂而固定于受光元件12上。另外，受光面12a和发光面13c的中心轴进行调整，使与光纤2的光轴一致。因此，如图2所示，从发光元件13出射的光信号经由透镜3而结合于光纤2，从光纤2出射的光信号经由透镜3而结合于受光元件12。
此时，受光元件12的受光面12a上配置有发光元件13，但在发光元件13中，蓝宝石基板13b的厚度相对于氮化物半导体层13a的厚度处于支配地位。因此，从光纤2出射的光信号的中心部分的光，其大部分会通过发光元件13而到达受光元件12。
另外，发光元件13的p型GaN包覆层与n型GaN包覆层的一部分均在发光面13c侧露出。于是，如图3所示，连接于n型GaN包覆层的负极电极垫21、以及连接于p型GaN包覆层的负极电极垫22均配置在发光元件13的发光面13c侧。负极电极垫21和正极电极垫22分别经由导线23，24而与规定的电路电连接。另外，在受光元件12的受光面12a侧，在与受光面12a不重叠的位置配置有受光元件12的负极电极垫25。该负极电极垫25也经由导线26与规定的电路电连接。
再有，连接于负极电极垫21的导线23与连接于正极电极垫22的导线24位于受光面12a的前面而遮蔽了从光纤2出射的光信号的一部分，但适当地选择导线23，24的直径，使被导线23，24遮蔽的面积相对于受光面12a足够地小，由此能够充分地抑制对单芯光收发器1的受光灵敏度的影响。
此外，如图4所示，单芯光收发器1具有控制上述的发光元件13和受光元件12的工作的开关31。该开关31受设置在单芯光收发器1的外部的控制部32的切换信号控制，在发光元件13的光出射时，受光元件12的输出为低电平而实质上使受光元件12的工作停止，在受光元件12受光时，发光元件13的输出为低电平而实质上使发光元件13的工作停止。由此，在光通信系统S中，实现发送与接收不同时工作的半双工通信方式。
图4的电路中，在发送模式中，发光元件13(LED)出射(发光)时，实质上使受光元件12(PD)的工作停止，在接收模式中，使LED的工作停止，从而实现发送和接收不同时工作的半双工通信方式。其时序图如图6所示。
图4的电路中，如图6的时序图那样动作。发送模式时，驱动用电信号输入至LED，从LED相对于光纤输出通信用的光信号。来自LED的发光(通信用光信号)不仅向光纤2侧，同时也向蓝宝石基板侧出射。
特别地，如图2那样，PD的受光面上同轴配置LED的情况下，受到向LED的基板侧出射的光的影响。LED基板相对于LED的发光波长为吸光的材料，或基板的背面侧整个面形成有电极的情况下，从LED向基板侧出射的光被基板吸收，或由基板背面所覆盖的电极而反射，不会造成大的影响。
然而，像本发明这样，使LED的发光波长透过的蓝宝石基板上层叠有氮化物半导体，且蓝宝石基板的背面侧未形成有电极的情况下，从LED出射的光与通过光纤传输的光具有相同的波长，所以与从光纤传输的光相同地，透过蓝宝石基板，入射至位于正下方的PD的受光面。配置于LED正下方的PD中，由入射的光在PD内部产生电荷，从PD的负极作为光电流而输出。
因此，图4的电路中，没有开关31的情况下，在发送模式时从PD输出信号(图5)，成为误动作的原因。
图4的电路中，根据来自控制部的切换信号，控制开关31而使发送模式时受光元件的输出成为低电平，从而在实质上停止受光元件的动作。因此，在发送模式下，不从PD输出信号，从而抑制了误动作。
而且，在图7的连接例中，PD的正负极之间经由放电开关A而连接。如上述那样，在发送模式下，在PD上来自LED的出射光被入射，在PD内部产生电荷。在该电路中，发送模式时的PD动作停止，不仅从PD不输出信号，而且通过将PD的正负极之间的开关A设为导通，正负极之间连接而成为接地电位，对在PD内产生的电荷进行放电。此外，在PD内部产生的电荷保持为存储于PD内部的状态(充电的状态)，在切换至接收模式的情况下，存储的电荷从PD作为光电流而漏出，成为误动作的原因。直至成为误动作的原因的被充电的电荷的量消失为止，作为通常的接收模式的动作不能进行，因此发送模式和接收模式之间的期间变长。根据图7的电路，根据LED的发光在PD内产生的电荷在产生的同时被放电，不在PD内部存储(充电)。因此，能够在切换至接收模式时迅速地转移至通常动作。接收模式期间，通过将开关A关断，从光纤传输的信号光，经由LED作为入射光信号入射至PD，能够从PD作为电气信号输出。
另外，将PD的图7的开关A替换为图8的连接例中，设置有用于将PD的负极端连接于Vcc等的基准电位的放电开关B，通过在发送模式时使开关B导通，将PD的负极连接于Vcc等的基准电位，在PD内部产生的电荷也可被放电。根据这样的结构，与图7相同地，根据LED的发光在PD内产生的电荷在产生的同时被放电，不在PD内部存储(充电)。因此，能够在切换至接收模式时迅速地转移至通常动作。接收模式期间，通过将开关B关断，从光纤传输的信号光，经由LED作为入射光信号入射至PD，能够从PD作为电气信号输出。
如以上说明的，在单芯光收发器1中，在受光元件12的受光面12a上将蓝宝石基板13b与受光面12a同轴配置，在该蓝宝石基板13b上形成氮化物半导体层13a而构成成为发光元件13的LED。通过像这样受光元件12与发光元件13配置在同轴上，可以与单一的光纤2结合。另外，通过将蓝宝石基板13b用于发光元件13的基板，使光纤2的传送损失小的波长带(例如450nm～600nm)的光信号通过蓝宝石基板13b而到达受光元件12的受光面12a。因此，即使在受光元件12的受光面12a上配置发光元件13，也能够包含来自于光纤2的光中光强度最强的中心部分的光，从而能够在整个受光面12a接收来自于光纤2的光信号，能够充分地提高受光灵敏度。
另外，在单芯光收发器1中，发光元件13中的负极电极垫21和正极电极垫22均设置在发光元件13的发光面13c侧。由此，由于没有必要在发光元件13的背面形成电极或配线等，因此，能够充分地确保蓝宝石基板13b中的光信号的透光区域。因此，能够进一步充分地提高受光灵敏度。
另外，单芯光收发器1还具备在发光元件13工作时使受光元件12的工作停止、在受光元件12工作时使发光元件13的工作停止的开关31。由此，能够抑制发光元件13的发光所引起的受光元件12的噪声、或者受光元件12受光时的漫反射所引起的不良情况。
接着，就本发明的效果确认实验进行说明。
本实验如下：分别制作将在蓝宝石基板上层叠氮化物半导体层而得到的绿色LED配置在由Si光电二极管构成的受光元件的受光面上而构成的单芯光收发器(实施例)，以及将在GaAs基板上层叠氮化物半导体层而得到的红色LED配置在由Si光电二极管构成的受光元件的受光面上而构成的光收发器(比较例)，对各试样评价受光灵敏度和最大通信距离。
在实施例和比较例中，均使用了受光面为0.8mmΦ(约0.5mm2)的Si光电二极管。另外，在实施例中，绿色LED的芯片尺寸为0.34mm×0.35mm(约0.12mm2)，在比较例中，红色LED的芯片尺寸为0.23mm×0.23mm(约0.053mm2)。因此，Si光电二极管的受光面的露出面积，在令原面积为1的情况下，在实施例中约为0.76，在比较例中约为0.89。
在该条件下，对实施例和比较例测量Si光电二极管的受光损失之后，如图7所示，得到这样的结果：在实施例约为-1.5dBm，与此相对，在比较例约为-2.5dBm，与LED的芯片尺寸大无关，实施例的受光损失比比较例的受光损失要小约1.0dBm。从该结果可以确认，在实施例中，来自于光纤的光信号通过蓝宝石基板而到达受光元件的受光面，能够在整个受光面12a接受来自于光纤2的光信号。此外，Si光电二极管的绿色光(波长约510nm)的受光灵敏度相对于红色光(波长约650nm)的受光灵敏度降低约0.7dBm，但作为光收发器的最小接收灵敏度，相抵后提高约0.3dBm。
另外，在使用塑料光纤作为光纤的情况下，红色光的传送损失约0.15dB/m，相对而言，对于绿色光的传送损失约0.09dB/m。因此，在使用同等的驱动IC和信号处理IC的情况下，光通信系统中的最大通信距离相对于在比较例中为100m左右，在实施例中可以提高至170m左右。
工业应用性
本发明单芯光收发器适于工业应用。

Claims (6)

1.一种单芯光收发器，其特征在于，
是经由单一光纤而收发光信号的光收发器，
具备发送所述光信号的发光元件、以及接收所述光信号的受光元件，
所述发光元件是包含在所述受光元件的受光面上与该受光面同轴配置的蓝宝石基板、以及在所述蓝宝石基板上层叠的氮化物半导体层而构成的LED，
从所述发光元件发送的所述光信号的波长范围为450nm～600nm，
所述单一光纤为塑料光纤，
所述发光元件经由相对于该发光元件的发光波长具有透明性的树脂而固定在所述受光元件的所述受光面上，
所述发光元件的负极电极垫和正极电极垫均设置在所述发光元件的发光面侧。
2.根据权利要求1所述的单芯光收发器，其特征在于，
所述树脂为环氧类树脂或硅酮类树脂。
3.根据权利要求1所述的单芯光收发器，其特征在于，
从所述发光元件发送的所述光信号的波长为510nm。
4.根据权利要求l或2所述的单芯光收发器，其特征在于，
还具备在所述发光元件工作时使所述受光元件的工作停止、在所述受光元件工作时使所述发光元件的工作停止的开关。
5.根据权利要求4所述的单芯光收发器，其特征在于，
所述受光元件正负极之间经由放电开关而连接，在所述发光元件工作时，所述放电开关设为导通，在所述受光元件工作时，所述放电开关设为关断。
6.根据权利要求5所述的单芯光收发器，其特征在于，
所述受光元件的负极端经由放电开关而连接至基准电位，在所述发光元件工作时，所述放电开关设为导通，在所述受光元件工作时，所述放电开关设为关断。
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