JP2007258399A - フォトカプラ - Google Patents

Abstract

【課題】信号の伝達の精度を上げることができるフォトカプラを提供する。
【解決手段】フォトカプラ１は、半導体レーザ素子２と、半導体受光素子３と、保護部材４と、反射膜５と、ライトパイプ６と、電極７、８、９とを備えている。ライトパイプ６は、樹脂からなり、直方体形状であって、半導体受光素子３の外周部を囲むように設けられている。ライトパイプ６の上面の中央部には、半導体受光素子３側に向かって細くなる部分四角錐体形状の凹部６ａが形成されている。反射膜５は、半導体受光素子３側に向かって細くなる部分錐体面状であって、凹部６ａの側面に形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザ素子と半導体受光素子とが樹脂製の保護部材に埋設されたフォトカプラに関する。

半導体発光素子と半導体受光素子とを備えたフォトカプラが知られている。このようなフォトカプラでは、電気的な入力信号が半導体発光素子に入力されると、半導体発光素子が入力信号に対応した光を発光する。そして、この光を半導体受光素子が受光して電気的な信号に変えて出力することによって、半導体発光素子と半導体受光素子とを介して信号の伝達が行われる。

一般のフォトカプラでは、一定の間隔を空けて半導体発光素子と半導体受光素子とを絶縁性の樹脂からなる保護部材の中に埋設することによって、半導体発光素子と半導体受光素子とを電気的に絶縁している。このように、半導体発光素子と半導体受光素子とが電気的に絶縁された状態で、信号の伝達を行っているので、信号以外に含まれるノイズの伝搬を防ぐことができると共に、耐圧を向上させることができる。

従来、上述したようなフォトカプラでは、半導体発光素子として発光ダイオードを適用していた。しかしながら、発光ダイオードを発光させるためには、キャリアを大量に注入しなくてはならないため、発光ダイオードを発光させるのに必要な時間が大きいといった問題があった。このため、近年求められているＧｂｐｓ（Ｇｉｇａ ｂｉｔ ｐｅｒ ｓｅｃｏｎｄ）クラスの高速通信に発光ダイオードを有するフォトカプラを適用することは困難である。

そこで、電流狭窄構造を有し、少量のキャリアを短時間で注入することによって光を発光可能な半導体レーザ素子を半導体発光素子に適用したフォトカプラが高速通信に用いられている。しかしながら、半導体レーザ素子は、光の照射領域が小さいため、半導体受光素子が所定の位置からずれて配置された場合、半導体レーザ素子からの光を受光できないといった問題や、受光できても異なる信号の判別ができないといった問題があった。

特に、面発光レーザの場合、供給される電流値によってＦＦＰ（遠視野像）が異なり、電流値を変えても光の強度がほとんど変わらない光の照射角度があるため、半導体受光素子が配置された位置によっては、面発光レーザに入力された信号が異なっても同じ強度の光を受光する場合がある。このため、面発光レーザに異なる信号が入力されても、半導体受光素子がほとんど同じ信号を出力するといった問題があった。

この面発光レーザにおける問題点を、図８を参照して具体的に説明する。図８は、面発光レーザに供給された１０ｍＡ及び２０ｍＡの電流に対する、光の強度と光の照射角度との関係を示す図である。尚、図８において、縦軸が光の強度（ｍＷ）であって、横軸が光の照射角度（°）である。ここで、照射角度とは、面発光レーザの光照射面の中心から積層方向に伸ばした位置を０°とし、所定の位置と光照射面の中心とを結んだ直線と０°との間の角度のことである。また、図８における太線が１０ｍＡの電流が供給された際の光の強度であって、細線が２０ｍＡの電流が供給された際の光の強度である。半導体受光素子は、約１°の角度内の光を受光可能なものとする。

面発光レーザの照射方向（照射角度０°）の位置に半導体受光素子が配置されたフォトカプラの場合、−０．５°〜０．５°の領域に相当する領域１００内の光が半導体受光素子によって受光される。このような構成のフォトカプラでは、１０ｍＡの曲線を積分することによって求められる光量と、２０ｍＡの曲線を積分することによって求められる光量との差（図８の斜線領域１００ａ参照）が大きいので、面発光レーザと半導体受光素子との間で２種類の信号の伝達ができる。

しかしながら、面発光レーザの照射方向から８°ずれた位置に半導体受光素子が配置されたフォトカプラの場合、照射角度が７．５°〜８．５°の領域に相当する領域１０１内の光が半導体受光素子によって受光される。このような構成のフォトカプラでは、１０ｍＡの曲線を積分することによって求められる光量と、２０ｍＡの曲線を積分することによって求められる光量との差（図８の領域１０１ａ参照）がほとんどない。

これにより、受光された２種類の信号の光量に対応して出力される信号がほとんど同じになるため、面発光レーザと半導体受光素子との間で異なる２種類の信号の伝達ができないといった問題がある。特に、この問題は、ｐｉｎ型のフォトダイオード等のように、受光部の直径が約１００μｍ程度と小さい半導体受光素子を備えたフォトカプラで顕著に現れていた。

そこで、半導体受光素子により受光できる光量を増やすための技術が開示されている。例えば、特許文献１には、半導体発光素子と半導体受光素子とを、光透過可能な樹脂に埋設すると共に、この光透過可能な樹脂を、光を遮蔽する樹脂により囲むフォトカプラが開示されている。このフォトカプラでは、光透過可能な樹脂と光を遮蔽する樹脂との界面で光を反射することによって、半導体発光素子により発光された光が漏れるのを防ぐことができるので、半導体受光素子により受光される光量をある程度増加させることができるので、信号の伝達精度を上げることができた。
特開２００１−３５８３６１号公報

しかしながら、上述の特許文献１によるフォトカプラでは、半導体発光素子により発光された光の漏れ及び外部からのノイズ光を防止するだけなので、半導体受光素子によって受光される光量はあまり増加しない。このため、２種類の信号を伝達する精度が充分なものとは言い難いといった問題があった。

本発明は、上述した課題を解決するために創案されたものであり、信号の伝達の精度を上げることができるフォトカプラを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子によって発光された光を受光可能な半導体受光素子と、前記半導体レーザ素子により発光された光を反射可能な反射部を有する光集光手段と、前記半導体レーザ素子、前記半導体受光素子、及び、前記光集光手段が埋設された樹脂製の保護部材とを備え、前記反射部は、半導体受光素子側に向かって細くなる部分錐体面状に形成されていることを特徴とするフォトカプラである。

また、請求項２に記載の発明は、前記反射部は、金属又は反射塗料からなる反射膜であることを特徴とする請求項１に記載のフォトカプラである。

また、請求項３に記載の発明は、前記光集光手段は、前記保護部材を構成する樹脂の屈折率よりも大きい屈折率を有する樹脂製の部分錐体部を有し、前記反射部は、前記保護部材と前記部分錐体部との界面であることを特徴とする請求項１に記載のフォトカプラである。

本発明によれば、半導体受光素子側に向かって細くなる部分錐体面状に形成されている反射部を有する光集光手段を備えているので、半導体レーザ素子によって発光された光が外部へ漏れるのを抑制すると共に、半導体受光素子へと光を集光することができる。これによって、半導体受光素子によって受光可能な領域が大幅に増加するので、電流値が異なる信号に対応して光の強度が大きく異なる領域の光をも受光することができる。この結果、半導体受光素子に受光される光量の差が、半導体レーザ素子に入力された電流値が異なる信号に対応して大きくなるので、信号を伝達する精度を向上させることができる。

（第１実施形態）
以下、図面を参照して本発明の第１実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態によるフォトカプラの断面構造を示す図である。図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。

図１及び図２に示すように、フォトカプラ１は、半導体レーザ素子２と、半導体受光素子３と、保護部材４と、反射膜５と、ライトパイプ６と、電極７、８、９とを備えている。尚、反射膜５とライトパイプ６が、請求項の光集光手段に相当する。

半導体レーザ素子２は、面発光レーザからなるものである。半導体レーザ素子２の下面は一方の電極７に接続されると共に、半導体レーザ素子２の上面はワイヤ１０を介して他方の電極（図示略）に接続されている。

半導体受光素子３は、ｐｉｎフォトダイオード、ｐｎフォトダイオード、アバランシェフォトダイオード等のフォトダイオードを適用することができる。半導体受光素子３の上面部には、半導体レーザ素子２によって発光された光を受光して、電気的な信号に変換可能な受光部３ａが形成されている。半導体受光素子３の下面は、電極８に接続されると共に、半導体受光素子の上面は、ワイヤ１１を介して電極９に接続されている。

保護部材４は、絶縁性の樹脂からなるものであり、埋設された半導体レーザ素子２と半導体受光素子３とを絶縁するためのものである。保護部材４を構成する樹脂は、半導体レーザ素子２から発光された光を透過可能に構成されている。

ライトパイプ６は、樹脂からなり保護部材４に埋設されている。このライトパイプ６を構成する樹脂としては、エポキシ系樹脂及びアクリル系樹脂等を適用することができる。ライトパイプ６は、直方体形状であって、半導体受光素子３の外周部を囲むように設けられている。ライトパイプ６の上面の中央部には、半導体受光素子３側に向かって細くなる部分四角錐体形状の凹部６ａが形成されている。

反射膜５は、半導体レーザ素子２の光を反射して、半導体受光素子３へと集光するためのものである。反射膜５は、半導体受光素子３側に向かって細くなる部分錐体面状であって、凹部６ａの側面に形成されている。反射膜５は、金属膜又は反射塗料等の光を反射可能な材料によって構成されている。反射膜５を構成する金属膜としては、銀やアルミニウム等の薄膜を適用することができる。また、反射膜５を構成する反射塗料としては、アクリルウレタン塗料、アクリル塗料、アクリルシリコン塗料、エポキシ系塗料、ポリエステル塗料等を適用することができる。

上述した本発明の第１実施形態によるフォトカプラ１では、半導体レーザ素子２に電気的な信号が入力されると、その信号の電流値に対応した強度を有する光が半導体レーザ素子２から照射される。そして、半導体受光素子３が光を受光すると、受光した光量に対応した電流値を有する電気的な信号が出力される。

ここで第１実施形態によるフォトカプラ１では、反射膜５が形成されたライトパイプ６を備えているので、半導体レーザ素子２から半導体受光素子３に直接到達する光Ｌ_０のみならず、半導体受光素子３からずれた位置に到達する光Ｌ_１をも反射膜５で反射することによって集光されて、半導体受光素子３によって受光することができる。

これによって、電流値が異なっても光の強度があまり変化しない位置に半導体受光素子３を配置した場合でも、受光できる領域が広がっているので、電流値によって光の強度が大きく異なる領域の光をも半導体受光素子３によって受光することができる。従って、半導体レーザ素子２に入力された信号に対応した信号を半導体受光素子３が出力することができるので、信号の伝達の精度を向上させることができる。

また、金属又は反射塗料等からなる反射膜５を設けることによって、確実に半導体レーザ素子２からの光を反射することができるので、半導体受光素子３によって受光される光量を増加させることができる。

上述した信号の伝達の精度の効果を、図３を参照して具体的に説明する。尚、図３は、図８で説明した面発光レーザと同じ光を出力可能な面発光レーザの出力を示す図である。

図３に示すように、半導体受光素子３を半導体レーザ素子２の照射方向（０°）から約８°ずれた位置に配置し、反射膜５によって約６°の角度内の光を半導体受光素子３が受光可能になったと仮定する。従って、約５°〜約１１°の角度内に照射された光を半導体受光素子３が受光することができる。

上述したように従来のフォトカプラを同じ位置に配置した場合、７．５°〜８．５°の方向の光しか受光できないため、半導体受光素子によって受光する光量が、２つの電流値でほとんど変わらない（図８の領域１０１ａ参照）。しかし、第１実施形態のフォトカプラ１では、図３の領域５０に示す約５°〜約１１°の角度内に照射された光を受光することができるので、１０ｍＡの電気信号に対応する光の強度と２０ｍＡの電気信号に対応する光の強度が大きく異なる照射角度の光をも受光することができる。これによって、１０ｍＡと２０ｍＡの電流値の信号に対応する光量の差（図３の領域５０ａ−領域５０ｂ）が大きくなるので、大きく異なる信号を半導体受光素子３が出力することができ、２つの信号の伝達の精度を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、屈折率の違いを利用した反射部を有する光導波路を備えた第２実施形態について説明する。図４は、本発明の第２実施形態によるフォトカプラの断面構造を示す図である。図５は、図４におけるＶ−Ｖ線に沿った断面図である。尚、第１実施形態と同様の構成には同じ符号をつけて説明を省略する。

図４及び図５に示すように、第２実施形態によるフォトカプラ１Ａは、半導体レーザ素子２と、半導体受光素子３と、保護部材４と、光導波路（請求項の部分錐体部に相当）２０と、反射部２１とを備えている。尚、光導波路２０と反射部２１が、請求項の光集光手段に相当する。

図４及び図５に示すように、光導波路２０は、半導体受光素子３側が細くなった部分四角錐体形状であって、半導体レーザ素子２から半導体受光素子３に渡って形成されている。光導波路２０は、保護部材４を構成する樹脂よりも大きい屈折率を有する樹脂からなる。

従って、光導波路２０と保護部材４の界面は、半導体レーザ素子２により発光された光を反射可能な反射部２１として機能する。従って、反射部２１は、半導体受光素子３側に向かって細くなる部分錐体面状となり、半導体レーザ素子２により発光された光を半導体受光素子３へと集光することができる。

このように第２実施形態によるフォトカプラ１Ａにおいても、半導体レーザ素子２によって発光された光を半導体受光素子３へと集光可能な反射部２１を備えているので、第１実施形態によるフォトカプラ１と同様の効果を奏することができる。

また、光導波路２０を樹脂のみにより構成することによって、フォトカプラ１Ａの製造工程を簡略化することができる。

（第３実施形態）
次に、端面発光型の半導体レーザ素子を備えた第３実施形態について説明する。図６は、本発明の第３実施形態によるフォトカプラの断面構造を示す図である。尚、上述した各実施形態と同様の構成には同じ符号を付けて説明を省略する。

図６に示すように、第３実施形態によるフォトカプラ１Ｂは、半導体レーザ素子２５と、半導体受光素子２６と、反射膜２７と、ライトパイプ２８と、保護部材４とを備えている。

図６に示すように、半導体レーザ素子２５は、活性層がＩｎＧａＡｓＰ等により構成され、端面２５ａから光を発光する端面発光型である。

半導体受光素子２６は、フォトダイオードであって、半導体レーザ素子２５によって発光された光を透過可能な基板２６ａの一部に形成された受光部２６ｂによって光を受光可能に構成されている。例えば、半導体受光素子２６の一例として、半導体レーザ素子２５により発光される光の波長が１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの場合には、その光を透過可能なＩｎＰからなる基板２６ａにＩｎＧａＡｓからなる受光部２６ｂを備えたものを適用することができる。また、半導体受光素子２６としては、端面入射型のフォトダイオードを適用することもできる。

ライトパイプ２８は、樹脂からなり、半導体受光素子２６側が細くなるように形成された部分四角錐体形状の凹部２８ａが形成されている。この凹部２８ａの内面には、反射膜２７が形成されている。

このように第３実施形態によるフォトカプラ１Ｂにおいても、半導体レーザ素子２５によって発光された光を半導体受光素子２６に集光可能な反射膜２７を備えているので、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第４実施形態）
次に、端面発光型の半導体レーザ素子を備えた第４実施形態について説明する。図７は、本発明の第４実施形態によるフォトカプラの断面構造を示す図である。尚、上述した各実施形態と同様の構成には同じ符号を付けて説明を省略する。

第４実施形態によるフォトカプラ１Ｃは、半導体レーザ素子２５と、半導体受光素子２６と、光導波路３０と、反射部３１と、保護部材４とを備えている。

図７に示すように、このフォトカプラ１Ｃでは、半導体レーザ素子２５と半導体受光素子２６との間に、半導体受光素子２６側に向かって細くなる部分錐体形状の光導波路３０が設けられている。この光導波路３０は、保護部材４を構成する樹脂よりも大きい屈折率を有する樹脂からなる。従って、光導波路３０と保護部材４との界面は、半導体レーザ素子２５の光を反射し、集光可能な反射部３１として機能する。

このように第４実施形態によるフォトカプラ１Ｃにおいても、半導体レーザ素子２５によって発光された光を半導体受光素子２６に導入可能な反射部３１が形成された光導波路３０を備えているので、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

以上、上記実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲内で変更して実施することができる。即ち、本明細書の記載は、一例であり、本発明を何ら限定的な意味に解釈させるものではない。以下、上記実施形態を一部変更した変更形態について説明する。

上記第１及び第３実施形態のフォトカプラ１、１Ｂでは、ライトパイプ６、２８に反射膜５、２７を別途設けるように構成したが、保護部材を構成する樹脂よりも大きい屈折率を有する樹脂によってライトパイプを構成することによって、保護部材とライトパイプとの界面が反射部となるように構成してもよい。

上記第２及び第４実施形態のフォトカプラ１Ａ、１Ｃでは、保護部材４と光導波路２０、３０との界面を反射部２１、３１として適用したが、光導波路と保護部材との界面に金属又は反射塗料等からなる反射膜を構成してもよい。このように構成する場合は、光導波路と保護部材とを同じ樹脂により構成してもよい。

上述の各実施形態では、反射膜及び反射部を部分四角錐体形状に構成したが、半導体受光素子側が細くなるような錐体形状であればよく、部分円錐体形状や部分多角錐体形状に反射膜及び反射部を構成することができる。

本発明の第１実施形態によるフォトカプラの断面構造を示す図である。 図１におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図である。 第１実施形態によるフォトカプラの効果を説明するための図である。 本発明の第２実施形態によるフォトカプラの断面構造を示す図である。 図４におけるＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 本発明の第３実施形態によるフォトカプラの断面構造を示す図である。 本発明の第４実施形態によるフォトカプラの断面構造を示す図である。 従来のフォトカプラの問題を説明するための図である。

符号の説明

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ フォトカプラ
２、２５ 半導体レーザ素子
３、２６ 半導体受光素子
４ 保護部材
５ 反射膜
６ ライトパイプ
６ａ 凹部
２０ 光導波路
２１ 反射部
２７ 反射膜
２８ ライトパイプ
２８ａ 凹部
３０ 光導波路
３１ 反射部

Claims (3)

1. 半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子によって発光された光を受光可能な半導体受光素子と、
   前記半導体レーザ素子により発光された光を反射可能な反射部を有する光集光手段と、
   前記半導体レーザ素子、前記半導体受光素子、及び、前記光集光手段が埋設された樹脂製の保護部材とを備え、
   前記反射部は、半導体受光素子側に向かって細くなる部分錐体面状に形成されていることを特徴とするフォトカプラ。
2. 前記反射部は、金属又は反射塗料からなる反射膜であることを特徴とする請求項１に記載のフォトカプラ。
3. 前記光集光手段は、前記保護部材を構成する樹脂の屈折率よりも大きい屈折率を有する樹脂製の部分錐体部を有し、
   前記反射部は、前記保護部材と前記部分錐体部との界面であることを特徴とする請求項１に記載のフォトカプラ。
   
   
   
   
   

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