JP2002344024A - 光伝送デバイス - Google Patents

光伝送デバイス

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JP2002344024A
JP2002344024A JP2001151652A JP2001151652A JP2002344024A JP 2002344024 A JP2002344024 A JP 2002344024A JP 2001151652 A JP2001151652 A JP 2001151652A JP 2001151652 A JP2001151652 A JP 2001151652A JP 2002344024 A JP2002344024 A JP 2002344024A
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Japan
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light
optical transmission
transmission device
led
light emitting
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Hideaki Saito
秀哲 斉藤
Koichi Kuronaga
康一 玄永
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Toshiba Corp
Toshiba Development and Engineering Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
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  • Led Devices (AREA)
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  • Structures Or Materials For Encapsulating Or Coating Semiconductor Devices Or Solid State Devices (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速、かつ光結合が容易で、低消費電力、温
度特性の良好な光伝送デバイスを提供する。 【解決手段】 基板と、前記基板の主面上に設置され、
かつ該主面に対して略垂直に光を出射する出射面を有す
る平面発光型の共振器型発光ダイオードとから光伝送デ
バイスを構成する。共振器型発光ダイオードは、高速、
低消費電力、かつ温度特性が良好であることから、特性
の良好な光伝送デバイスを構成できる。また、光ファイ
バとの結合に際して光ファイバ端面の反射光の再入射を
考慮しなくても良いため、光ファイバとの結合が容易で
ある。さらに平面発光型であるから基板上にそのまま設
置することが可能であり、光伝送デバイスの構成の単純
化が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、光による情報の伝
送に用いる光伝送デバイスに関する。
【0002】
【従来の技術】ディジタル機器間で画像情報等大容量の
情報を高速で送受信する場合がある。この情報伝送手段
として、低価格化が容易であることから、プラスチック
光ファイバ(POF)を用いた光伝送システムが注目さ
れている(例えば、特開平8−313766号)。PO
Fによる100Mbps以上の伝送速度が要求され、I
EEE1394等による規格の制定も進められている。
POFは、広帯域インターネット網の末端でエンドユー
ザの機器との情報伝送に利用される等、その用途が拡大
している。
【0003】100Mbps以上の高速光伝送を行う場
合、従来は光源に半導体レーザを用いることが多かっ
た。半導体レーザには、半導体層の水平方向から光を取
り出す端面発光型と、半導体層の垂直方向から光を取り
出す平面発光型がある。これらの半導体レーザをPOF
と光結合するには、図8、図9に示すように端面発光型
半導体レーザ111または平面発光型半導体レーザ12
1の発光点位置112、122およびレーザ光の方向1
13、123に対するPOF114、124の位置を調
整し、固定する。
【0004】図10は端面発光型半導体レーザ131を
用いた従来の光伝送デバイスを表す一部断面図である。
金属ステム132の上に金属ブロツク133が固着され
る。金属ブロツク133上にはサブマウント134を介
して、端面発光型の半導体レーザ131とこれを駆動す
るためのIC135が配置され、この両者は金ワイヤー
136で接続されている。半導体レーザ131とIC1
35の周囲は、金属ステム132および窓付きキャップ
137で気密に封止(ハーメチックシール)されてい
る。さらに、窓付きキャップ137の上面方向に光コネ
クタ140およびPOF141の挿入孔を有するプラス
チツク製のレセプタクル138が配置されている。端面
発光型構造の半導体レーザ131は、光コネクタ140
の挿入方向に対して平行に配置される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】半導体レーザを用いた
光伝送デバイスは、高速応答性はあるものの半導体レー
ザと光ファイバの光結合の容易性、低消費電力、温度特
性のいずれかに難があった。例えば、端面発光型半導体
レーザは発光点の大きさが1μmと非常に小さいことか
ら、光ファイバ端面からの反射光の再入射防止のための
半導体レーザと光ファイバの位置調整が困難である。ま
た、通常の発光ダイオード(LED)は、高速応答性に
欠けることから、高速光伝送用の光源には適しない。上
記に鑑み、本発明は高速、低消費電力、かつ光結合が容
易で、温度特性の良好な光伝送デバイスを提供すること
を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】(1)上記目的を達成す
るために本明に係る光伝送デバイスは、基板と、前記基
板の主面上に設置され、かつ該主面に対して略垂直に光
を出射する出射面を有する平面発光型の共振器型発光ダ
イオードとを具備することを特徴とする。共振器型発光
ダイオードは、高速、低消費電力、かつ温度特性が良好
であることから、特性の良好な光伝送デバイスを構成で
きる。また、共振器型発光ダイオードは、半導体レーザ
と異なり出射光の再入射による特性の変動がないため、
光ファイバとの結合に際して光ファイバ端面の反射光の
再入射を考慮しなくても良い。このため、光ファイバと
の結合が容易である。さらに半導体層の垂直方向に光を
出射する平面発光型であるから基板上にそのまま設置す
ることが可能であり、光伝送デバイスの構成の単純化が
図れ製造も容易となる。
【0007】光伝送デバイスには、光ファイバを光コネ
クタで接続するレセプタクル方式と光ファイバと一体の
いわゆるピッグテール方式の双方が含まれうる。ここ
で、前記共振器型発光ダイオードの発光域を650nm
帯とすることができる。POFの低損失領域に発光域を
合致させることで、POFによる光伝送の長距離化を図
ることができる。
【0008】(2)前記共振器型発光ダイオードの出射
光を透過し、かつ該共振器型発光ダイオードを封止する
封止部をさらに具備してもよい。封止部によって共振器
型発光ダイオードを外気から遮断し、その信頼性を向上
できる。ここで、前記封止部が、前記共振器型発光ダイ
オードからの出射光が出射するレンズ部を有しても良
い。共振器型発光ダイオードからの出射光をレンズ部で
収束することで、光ファイバとの結合効率を向上でき
る。また、封止部とレンズ部との一体成型を可能とし
て、製造の容易化を図ることができる。前記封止部が、
前記共振器型発光ダイオードからの出射光が出射する凹
部を有しても良い。凹部に光ファイバを挿入すること
で、共振器型発光ダイオードと光ファイバの距離を接近
させ、結合効率の向上を図れる。さらに、共振器型発光
ダイオードと光ファイバの位置ずれを低減できる。
【0009】(3)前記基板の前記主面上に設置され、
かつ該主面に対して略垂直に光を入射する入射面を有す
る受光素子をさらに具備しても良い。共振器型発光ダイ
オードと受光素子によって、光の送受信器を構成でき
る。さらに、前記基板の前記主面上に、複数の前記共振
器型発光ダイオードが設置されていても良い。光ファイ
バに複数の共振器型発光ダイオードを対応させること
で、光ファイバに入射する光の強度を大きくして、伝送
距離の増大を図れる。
【0010】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を参照して詳細に説明する。 (第1実施形態)図1は本発明の第1実施形態に係る光
伝送デバイス10を側面から見た構成を示す一部断面図
である。さらに図2は図1に示した光伝送デバイス10
の一部を拡大して表した正面図である。図1に示すよう
に本実施形態に係る光伝送デバイス10は、光コネクタ
20およびレセプタクル30から構成される。光コネク
タ20にはプラスチック光ファイバ(POF)21が接
続され、レセプタクル30には、その内部に共振器型発
光ダイオード(以下RC−LEDという)31が設置さ
れ、POF21を挿入する挿入口39が形成されてい
る。
【0011】RC−LED31は、レセプタクル30内
の基板たるリードフレーム32の1主面上に駆動用IC
33と共に設置されている。この両者は、金ワイヤ34
で電気的に接続されている。リードフレーム32はリー
ド35に一体的に接続され、駆動用IC33は金ワイヤ
36によって金属製のリード37に接続されている。R
C−LED31、駆動用IC33、リードフレーム3
2、リード35、37の周囲は、リード35、37それ
ぞれの1端を除き、封止部たる透明樹脂38で気密に封
止されている。透明樹脂38は例えばエポキシ系の樹脂
で構成され、モールド、キャスティング等で成型され
る。RC−LED31から出射した光束40は、透明樹
脂38を透過しPOF21に入射する。
【0012】RC−LED31は、後述するように半導
体層の垂直方向に光を取り出せる平面発光型構造のた
め、端面発光型レーザーで必要だったリードフレームの
曲げ加工が不要となり、リードフレーム32に平行に設
置(マウント)できる。この結果、従来の生産設備の流
用を可能とし、量産性、低コスト化に寄与する。また、
レセプタクル30の側部からリード35、37を取り出
せるため、レセプタクル30の光伝送システム基板への
実装が容易となり、光伝送システムの小型化が容易とな
る。さらに、RC−LED31が平面発光型構造である
ことは駆動用IC33の同一主面への配置を容易とし、
光伝送デバイス10の低コスト化、小型化を可能とす
る。
【0013】図3は、本実施形態におけるRC−LED
31およびPOF21を側面からみた光結合の状態を表
す側面図である。また、図4はRC−LED31を上面
からみた状態を表す正面図である。RC−LED31
は、GaAs基板301、GaAs基板301上に順に
形成されたn型DBR(Distributed Bragg Reflecto
r)層302、n型クラッド層303、MQW(多重量
子井戸)活性層304、p型クラッド層305、p型D
BR層306、保護層307、コンタクト層308から
構成されている。
【0014】MQW活性層304、p型クラッド層30
5、p型DBR層306、保護層307、コンタクト層
308、さらには、n型クラッド層303の一部は、斜
線で示すように中央の略円筒形の領域を残してイオン打
ち込みが行われたイオンインプランテーション領域30
9となっている。GaAs基板301の下部にはn電極
310が、コンタクト層308上にはイオンインプラン
テーション領域309の境界に沿って、略リング状のp
電極311がそれぞれ形成されている。p電極311
は、図4に示すように略リング状のp電極本体311A
と十字型の補助電極311Bの双方から形成され、直径
10〜100μm程度の略円形の開口部312を有す
る。p電極311はさらに電極パッド313が接続され
ている。
【0015】RC−LED31は、発光層としてMQW
活性層304を用いている。MQW活性層304からの
発光は、p型クラッド層305、p型DBR層306、
保護層307、コンタクト層308を通過して、開口部
312から放出される。POF21は、650nm付近
(赤色領域)に光損失の極小点を有している。RC−L
ED31の発光波長をこの光損失の極小点に合致させる
ためには、MQW活性層304をInGaAlP系ある
いはGaInNAs系の材料で構成することが望まし
い。POF21の損失極小点に合致した光源とすること
で、より長距離の光伝送を実現できる。例えば、MQW
活性層304はInGaP−InGaAlPの量子井戸
から構成される。
【0016】n型クラッド層303とp型クラッド層3
05でMQW活性層304を挟むことで、光さらには電
子が効率よく閉じ込めるられる。MQW活性層304と
してInGaAlP系の材料を用いる場合にはn型クラ
ッド層303とp型クラッド層305もInGaAlP
系の材料を用い、バンドギャップの不連続による抵抗の
増大を防止するのが好ましい。
【0017】n型クラッド層303の下部、p型クラッ
ド層305の上部それぞれのn型DBR層302および
p型DBR層306は、屈折率の違う化合物半導体層を
交互に積層して形成されている(DBR構造)。MQW
活性層304がInGaAlP系の材料である場合、n
型DBR層302またはp型DBR層306にはAl組
成の異なる2種類のAlGaAs材料を用いることが多
い。コンタクト層308は、p電極311とのオーミッ
クコンタクトのためのものであり、例えばp型GaAs
材料から形成される。
【0018】イオンインプランテーション領域309は
絶縁性であり、電流を遮断してMQW活性層304の中
央近傍に集中的に電流を注入し、発光効率を向上させる
ためのものである。補助電極311Bは、MQW活性層
304の中央近傍への電流注入を支援し、この中央近傍
での電流分布の均一化を図るためのものである。なお、
補助電極311Bは、p型電極311に開口部312が
形成されていればその形状は十字型以外に適宜の形状を
採りうる。
【0019】以上のようにRC−LED31は、半導体
層に略平行な上面(発光面)の開口部312から略垂直
方向に光を放射する平面発光型の光素子である。また、
RC−LED31では1mW程度の光出力を得るための
動作電流を10mA程度に抑えることが可能である。R
C−LED31の電気抵抗は数Ω程度であるから、消費
電力は数十mW以下となり低消費電力の高速光伝送デバ
イスを構成できる。
【0020】RC−LED31はMQW活性層304の
上下にn型DBR層302とp型DBR層306(即
ち、DBRの反射鏡)を形成しているため、半導体レー
ザに近い応答速度が得られ、100Mbps〜数百Mb
psの高速光伝送デバイスが実現可能となる。ここで、
n型DBR層302での反射率を98〜100%、p型
DBR層306での反射率を90〜95%とすること
で、MQW活性層304の上部からの光取り出しを可能
としている。
【0021】また、RC−LED31は、半導体レーザ
とは異なり電流に発振しきい値がない。このため、半導
体レーザのように高温でしきい値が増大するもことな
く、70℃以上の温度まで安定した光出力が得られる。
さらに、発光光は半導体レーザとは異なってインコヒー
レントであり、スペクトル幅も数nm以上と広い。従っ
て、反射光がRC−LED31に戻っても特性の劣化が
発生せず、高価な光学部品(アイソレータ等)やPOF
21との微妙な位置調整は不要である。このため、低価
格で特性に優れた高速光伝送デバイスが実現可能とな
る。
【0022】以下にRC−LED31との比較におい
て、半導体レーザ等を説明する。半導体レーザは、PO
F端面からの反射光(戻り光雑音)により特性が劣化す
る。半導体レーザへの戻り光の入射を防止するために、
半導体レーザとPOFの間に光学部品(光アイソレータ
等)を挿入するか、あるいは半導体レーザとPOFの位
置調整を行なうかのいずれかが行われる。光学部品を用
いた場合には光伝送デバイスの高額化を招く。また、位
置調整による場合には、端面発光型半導体レーザの発光
点の大きさが1μm程度と非常に小さいことから、位置
精度の公差が非常に小さく、位置調整(アライメント)
に時間を要し、また位置ずれにより結合効率が低下し易
い。
【0023】端面発光型構造の半導体レーザでは、レー
ザ発振のしきい電流が15mA以上、動作電流として2
0mA程度以上が必要であり、消費電力が100mW以
上となる。100Mbps以上の高速光伝送システムで
は、光源での消費電力を数十mW以下に押さえる必要が
あり、この点からも不適当である。
【0024】面発光型半導体レーザでは発光点が10μ
m程度以上と比較的大きいため、戻り光の影響を避ける
ように位置を調整することは比較的容易である。また、
所望の光出力を得るための動作電流を数mA〜10mA
程度とすることも可能である。しかしながら、面発光型
半導体レーザは共振器長が高々数μm程度と短いため、
発熱により共振器内の温度が上昇し易い。このため、高
温環境において発振しきい値が極度に増大してレーザ発
振が起こらない場合がある。特に、POFの損失が極小
になる波長帯に適合するInGaAlP系の面発光型構
造レーザでは、環境温度40℃程度までしかレーザ発振
が得られていない。
【0025】半導体レーザには垂直共振器型半導体レー
ザ(VCSEL:Vertical CavitySurface Emitting La
ser)もあるが、面発光型レーザと同様に温度特性がよ
くないため高速光伝送デバイスには適さない。なお、通
常のLEDは応答速度が高々数十Mbps程度であり、
高速光伝送デバイスに適合しない。
【0026】以上のように、本発明においては、発光素
子としてRC−LED31を用いることで、高速、低消
費電力、かつ光結合が容易で、温度特性の良好な光伝送
デバイスを提供することを可能とした。即ち、いままで
困難とされていた発光ダイオ一ドを使用した100Mb
ps以上の高速伝送が可能になる。また、650nm帯
の発光波長帯のRC−LED31を使用すれば、POF
21による伝送損失が少ないため効率のよい光伝送が可
能になる。
【0027】(第2の実施形態)図5は、本発明の第2
実施形態に係る光伝送デバイスを側面から見た状態を表
す一部断面図であり、第1の実施形態で説明した図1と
対応する。リードフレーム32の同一面にRC−LED
31と駆動用IC33がマウントされ、この両者が金ワ
イヤ34で接続されている点は第1の実施形態と同様で
ある。本実施形態は、これらをモールドする透明樹脂3
8Aにレンズ部38Bが形成されている点が第1の実施
形態と異なる。
【0028】RC−LED31は半導体レーザと異なり
インコヒーレント光であるため、図1に示すようにRC
−LED31からの光束40はPOF21に近づくにつ
いて広がる。このため、RC−LED31とPOF21
との結合効率が不十分になる可能性がある。結合効率が
不十分であってもRC−LED31へ印加するバイアス
電圧を上げてPOF21に入射する光量を増加すること
は可能であるが、信頼性への影響が懸念される。
【0029】本実施形態では、透明樹脂38A(樹脂モ
ールド部)にレンズ部38Bを形成することで光を収束
し、RC−LED31とPOF21との結合効率の向上
を図っている。しかも、透明樹脂38Aの光出力部分に
樹脂性のレンズ部38Bを設ける事で一体成型を可能と
し、新規に部品を追加することなく出射光の集光を可能
としている。以上に示したようにRC−LED31から
の出射光はインコヒーレント光であり、透明樹脂38A
(樹脂モールド)にレンズ部38Bを設けることでPO
F21との結合効率を改善できる。
【0030】(第3の実施形態)図6は、本発明の第2
実施形態に係る光伝送デバイスを側面から見た状態を表
す一部断面図であり、第1の実施形態で説明した図1と
対応する。リードフレーム32の同一面にRC−LED
31と駆動用IC33がマウントされ、この両者が金ワ
イヤ34で接続されている点は、第1の実施形態と同様
である。RC−LED31および駆動用IC33の周囲
を封止する透明樹脂38Cに凹部38Dが形成されてい
る点が第1および第2の実施形態と異なる。
【0031】凹部38Dは、POF21の先端を挿入で
きるように略円柱形状をしている。凹部38DにPOF
21の先端を挿入することで、RC−LED31とPO
F21とをより近接することが可能となる。RC−LE
D31からの光束はRC−LED31に近いほど広がり
角も狭いことから、RC−LED31とPOF21とを
近接することでこれらの間の結合効率が向上する。しか
も、凹部38DにPOF21の先端を挿入することで、
RC−LED31とPOF21との位置ずれを抑えるこ
とも可能となる。
【0032】(第4の実施形態)図7は、本発明の第4
の実施形態を表す平面図であり、第1の実施形態で説明
した図2に対応している。本実施形態においては、RC
−LED31と駆動用IC33を搭載したリードフレー
ム32、および光受光素子51と駆動用IC53を搭載
したリードフレーム52が近接して配置され、透明樹脂
55で封止されている。この結果、POF21に対して
RC−LED31と光受光素子51の双方が光結合し、
光の送信および受信が可能となり光送受信器を構成でき
る。
【0033】(その他の実施形態)本発明の実施形態
は、上記実施形態に限られず、拡張変更が可能である。
拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ
る。本発明は、光コネクタで光ファイバを接続するレセ
プタクルを用いる場合に限られず、光ファイバとRC−
LEDが一体に構成されたいわゆるピッグテールにも適
用可能である。光ファイバはPOFに限られず、石英フ
ァイバである場合にも適用可能である。RC−LED等
をモールドする透明樹脂には、光ファイバで送受信する
波長域の光以外を吸収するようにしても差し支えない。
光通信に利用する以外の光を透明樹脂で吸収すること
で、光通信の低雑音化を図ることができる。特にRC−
LEDと受光素子を組み合わせた第4の実施形態におい
て、受光素子に余分な波長の光が入射しないようにする
ことで、受光素子の低雑音化を図れる。また、1本のP
OFに対して複数のRC−LEDを組み合わせても差し
支えない。POFに入射する光をより強力にして、通信
距離の増大を図ることができる。
【0034】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば高
速、かつ光結合が容易で、低消費電力、温度特性の良好
な光伝送デバイスを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の第1実施形態に係る光伝送デバイス
を側面から見た状態を表す一部断面図である。
【図2】 図1に示した光伝送デバイスの一部を拡大し
た正面図である。
【図3】 本発明の第1実施形態におけるRC−LED
およびPOFを側面からみた光結合の状態を表す側面図
である。
【図4】 RC−LEDを上面からみた状態を表す正面
図である。
【図5】 本発明の第2実施形態に係る光伝送デバイス
を側面から見た状態を表す一部断面図である。
【図6】 本発明の第3実施形態に係る光伝送デバイス
を側面から見た状態を表す一部断面図である。
【図7】 本発明の第4の実施形態を表す平面図であ
る。
【図8】 従来の端面発光型半導体レーザと光ファイバ
の結合状態を表す斜視図である。
【図9】 従来の平面発光型半導体レーザと光ファイバ
の結合状態を表す斜視図である。
【図10】 端面発光型半導体レーザを用いた従来の光
伝送デバイスを表す一部断面図である。
【符号の説明】
10…光伝送デバイス 20…光コネクタ 21…POF(プラスチック光ファイバ) 30…レセプタクル 31…RC−LED 32、52…リードフレーム 33、53…駆動用IC 34、36…金ワイヤ 35、37…リード 38、38A、38C、55…透明樹脂 38B…レンズ部 38D…凹部 39…挿入口 40…光束 51…光受光素子 301…GaAs基板 302…n型DBR層 303…n型クラッド層 304…MQW活性層 305…p型クラッド層 306…n型DBR層 307…保護層 308…コンタクト層 309…イオンインプランテーション領域 310…n電極 311…p電極 311A…電極本体 311B…補助電極 312…開口部 313 …電極パッド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 玄永 康一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株 式会社東芝マイクロエレクトロニクスセン ター内 Fターム(参考) 2H037 AA01 BA02 CA02 DA03 DA04 DA15 DA31 4M109 AA01 BA03 CA21 DA07 EC11 GA01 5F041 AA02 AA24 AA32 AA39 CA04 CA05 CA12 CA34 CA71 CB06 DA17 DA43 DA57 EE04 EE15 FF14

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板と、 前記基板の主面上に設置され、かつ該主面に対して略垂
    直に光を出射する出射面を有する平面発光型の共振器型
    発光ダイオードとを具備することを特徴とする光伝送デ
    バイス。
  2. 【請求項2】 前記共振器型発光ダイオードの発光域が
    650nm帯であることを特徴とする請求項1記載の光
    伝送デバイス。
  3. 【請求項3】 前記共振器型発光ダイオードからの出射
    光を透過し、かつ該共振器型発光ダイオードを封止する
    封止部をさらに具備することを特徴とする請求項1記載
    の光伝送デバイス。
  4. 【請求項4】 前記封止部が、前記共振器型発光ダイオ
    ードからの出射光が出射するレンズ部を有することを特
    徴とする請求項3記載の光伝送デバイス。
  5. 【請求項5】 前記封止部が、前記共振器型発光ダイオ
    ードからの出射光が出射する凹部を有することを特徴と
    する請求項3に記載の光伝送デバイス。
  6. 【請求項6】 前記基板の前記主面上に設置され、かつ
    該主面に対して略垂直に光を入射する入射面を有する受
    光素子をさらに具備することを特徴とする請求項1記載
    の光伝送デバイス。
  7. 【請求項7】 前記基板の前記主面上に、複数の前記共
    振器型発光ダイオードが設置されていることを特徴とす
    る請求項1記載の光伝送デバイス。
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