JP2017157871A - 単芯光トランシーバ - Google Patents

Abstract

【課題】単一の光ファイバを用いた光通信において受光感度を十分に確保できる光トランシーバを提供する。
【解決手段】単芯光トランシーバ１は、単一の光ファイバ２を介して光信号を送受信する光トランシーバ。該単芯光トランシーバ１は、光信号を送信する発光素子１３と、光信号を受信する受光素子１２と、を備える。発光素子１３は、受光素子１２の受光面１２ａ上に当該受光面１２ａと同軸に配置されたサファイア基板１３ｂと、サファイア基板１３ｂ上に積層された窒化物半導体層１３ａとを含んで構成されたＬＥＤである。受光素子１２の受光面１２ａ上に発光素子１３が配置されていても、受光面１２ａの全体で光ファイバ２からの光信号を受光でき、受光感度を十分に向上できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、光伝送デバイスに関し、特に単芯光トランシーバに関する。

従来の光ファイバ通信用の光トランシーバでは、自機の送信側と相手機の受信側とを光ファイバで接続し、自機の受信側と相手機の送信側とを光ファイバで接続するため、複数の光ファイバが必要となっていた。そこで、装置構成の簡単化の観点から、例えば特許文献１に記載の光送受信用モジュールでは、分波フィルタを用いることにより、発光素子の光軸と受光素子の光軸とを単一のファイバに結合する構成が採用されている。また、光トランシーバ側の構成として、例えば特許文献２に記載の光半導体素子では、同一の基板上に発光部と受光部とがそれぞれ形成され、基板の中心部に発光部が配置され、発光部を取り囲むように環状に受光部が配置されている。

特開２００３−３０７６５６号公報 特開平１０−２００１５４号公報

しかしながら、上述した特許文献２のような構成では、発光部が基板の中心に位置し、その周囲に受光部を配置しているため、光ファイバからの光のうちで最も光強度の強い中心部分の光を受光部で受光できず、受光感度が十分に得られないことが考えられる。また、同一の基板上に発光部と受光部とを形成しているので、材料が制限されるという問題もある。

本発明は、上記課題の解決のためになされたものであり、単一の光ファイバを用いた光通信において受光感度を十分に確保できる光トランシーバを提供することを目的とする。

上記課題の解決のため、本発明に係る単芯光トランシーバは、単一の光ファイバを介して光信号を送受信する光トランシーバであって、光信号を送信する発光素子と、光信号を受信する受光素子と、を備え、発光素子は、受光素子の受光面上に当該受光面と同軸に配置されたサファイア基板と、サファイア基板上に積層された窒化物半導体層とを含んで構成されたＬＥＤであり、発光素子の動作時に受光素子の動作を停止させ、受光素子の動作時に発光素子の動作を停止させるスイッチを備えることを特徴としている。

この単芯光トランシーバでは、受光素子の受光面上にサファイア基板を受光面と同軸に配置し、当該サファイア基板上に窒化物半導体層を形成して発光素子となるＬＥＤを構成している。この構成では、受光素子と発光素子とが同軸上に配置されることで、単一の光ファイバとの結合が可能となる。また、発光素子の基板にサファイア基板が用いられることで、光ファイバにおける伝送損失の小さい波長帯の光信号を、サファイア基板を通して受光素子の受光面まで到達させることができる。したがって、受光素子の受光面上に発光素子が配置されていても、受光面の全体で光ファイバからの光信号を受光することができ、受光感度を十分に向上できる。また、上記単芯光トランシーバでは、発光素子の動作時に受光素子の動作を停止させ、受光素子の動作時に発光素子の動作を停止させるスイッチを更に備えている。これにより、発光素子の発光による受光素子のノイズや、受光素子の受光時の乱反射による不具合を抑制できる。

また、上記単芯光トランシーバでは、発光素子は、当該発光素子の発光波長に対して透明性を有する樹脂を介して受光素子の受光面に固定されていることが好ましい。樹脂はエポキシ系樹脂やシリコーン系樹脂であることが好ましい。この場合、受光感度を一層十分に向上できる。

また、上記単芯光トランシーバでは、発光素子におけるカソード電極パッド及びアノード電極パッドは、いずれも発光素子の発光面側に設けられている。この場合、発光素子の裏面（発光面の反対面）に電極や配線等を形成する必要がなくなるので、サファイア基板における光信号の透過領域を十分に確保できる。したがって、受光感度を一層十分に向上できる。

また、上記単芯光トランシーバでは、発光素子から送信される光信号の波長は、４５０ｎｍ〜６００ｎｍである。発光素子から送信される光信号の波長は、５１０ｎｍであることが好ましい。この波長帯の光信号を用いることで、サファイア基板の透過率を十分に確保できる。したがって、受光感度を一層十分に向上できる。

また、上記単芯光トランシーバでは、受光素子のアノード−カソード間を放電スイッチを介して接続し、発光素子の動作時に、放電スイッチをオンし、受光素子の動作時に、放電スイッチをオフにするように構成してもよい。若しくは、受光素子のカソード端が放電スイッチを介して基準電位に接続し、発光素子の動作時に、放電スイッチをオンし、受光素子の動作時に、放電スイッチをオフにするように構成してもよい。これによって、送信モードの時、発光素子により発生した光に起因して受光素子内に発生した電荷を放電することで、誤動作を抑制し、受信モードに切替えた際にすぐに通常動作に移行することができる。

また、上記単芯光トランシーバでは、単一の光ファイバはプラスチックオプティカルファイバである。プラスチックオプティカルファイバは、緑光とマッチングするため、光通信において受光感度を十分に確保できる。

本発明によれば、単芯光トランシーバにおいて発光素子と受光素子とを同軸に配置することにより、単一の光ファイバで光送受信機能を実現することができる。また、半二重通信方式の動作モードを用いることにより、単芯双方向光通信機能を実現することができる。また、サファイア基板を発光素子の基板として選択し、緑光を伝送光信号として選択し、プラスチックオプティカルファイバを光伝送媒質として選択することで、光ファイバの伝送損失を小さくし、受光感度を十分に向上することができる。

本発明の一実施形態に係る単芯光トランシーバを用いて構成される光通信システムの概略を示す図である。 本発明の単芯光トランシーバの構成断面図である。 本発明の単芯光トランシーバの平面図である。 本発明の単芯光トランシーバの半二重通信機能を実現する構成要素を示すブロック図である。 光トランシーバのスイッチがない場合のタイミングチャートである。 本発明の単芯光トランシーバの半二重通信方式のタイミングチャートである。 本発明の単芯光トランシーバの半二重通信機能を実現する１つの様態を示すブロック図である。 本発明の単芯光トランシーバの半二重通信機能を実現する他の様態を示すブロック図である。 本発明の効果確認実験の結果リストを示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る光トランシーバの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る光トランシーバを用いて構成される光通信システムの概略を示す図である。同図に示すように、光通信システムＳは、一対の単芯光トランシーバ１（１Ａ，１Ｂ）を単一の光ファイバ２で接続してなり、例えばローカルネットワークで用いられる一芯双方向システムである。また、光通信システムＳでは、光トランシーバ１Ａ，１Ｂ側の機能により、送信と受信とが同時には動作しない半二重通信方式で光信号の送受信が実行される。

光信号の送受信を行う光トランシーバ１は、図２に示すように、レンズ３を介して光ファイバ２に結合している。光ファイバ２には、例えばコア径が１ｍｍ程度の大口径のプラスチックオプティカルファイバが用いられる。プラスチックオプティカルファイバでは、典型的には波長４５０ｎｍ〜６００ｎｍ程度の光に対して伝送損失が１００ｄＢ／ｋｍ以下となり、さらに５００ｎｍ〜５５０ｎｍ程度の光、特に５１０ｎｍ近傍の光に対して伝送損失が最も小さくなる特性を有している。

単芯光トランシーバ１は、リードフレーム１１上に形成された受光素子１２と、受光素子１２上に形成された発光素子１３とを備えて構成されている。受光素子１２は、例えばＳｉフォトダイオードであり、リードフレーム１１をアノード電極とし、リードフレーム１１上に、ｐ型半導体層、ｎ型半導体層、絶縁層、及び絶縁層を貫通してｎ型半導体層に至るカソード電極パッド２５（図３参照）を順次積層することにより、平面視で矩形状に形成されている。また、受光素子１２におけるリードフレーム１１と反対側の面には、略円形状の受光面１２ａが設けられ、光ファイバ２側から出射される波長４５０ｎｍ〜６００ｎｍ程度の光信号を受光する。

一方、発光素子１３は、例えばサファイア基板１３ｂ上に窒化物半導体層１３ａを積層してなるＬＥＤである。サファイア基板１３ｂは、近紫外光から赤外光に至る広範囲の波長に対して透過性を有する基板であり、受光素子１２の受光面１２ａ上に配置されている。発光素子１３は、このサファイア基板１３ｂ上に、バッファ層、ｎ型ＧａＮクラッド層、ＩｎＧａＮ／ＧａＮ活性層、及びｐ型ＧａＮクラッド層を窒化物半導体層１３ａとして順次積層することにより、平面視で矩形状に形成されている。また、発光素子１３におけるサファイア基板１３ｂと反対側の面には、略矩形状の発光面１３ｃが設けられ、波長４５０ｎｍ〜６００ｎｍ程度の光信号を光ファイバ２側に出射する。

発光素子１３は、受光素子１２の受光面１２ａに対して十分に小さく形成され、受光面１２ａの略中心部分において受光面１２ａと同軸に配置されている。この発光素子１３は、サファイア基板１３ｂ側を受光面１２ａに対向させた状態で、発光素子１３の発光波長に対して透明な樹脂層１４、例えばエポキシ系樹脂やシリコーン系樹脂からなる接着剤を介して受光素子１２に固定されている。また、受光面１２ａ及び発光面１３ｃの中心軸は、光ファイバ２の光軸に一致するように調整されている。したがって、図２に示すように、発光素子１３から出射される光信号は、レンズ３を介して光ファイバ２に結合し、光ファイバ２から出射される光信号は、レンズ３を介して受光素子１２に結合される。

このとき、受光素子１２の受光面１２ａ上には発光素子１３が配置されているが、発光素子１３において、サファイア基板１３ｂの厚さが窒化物半導体層１３ａの厚さに対して支配的となっている。したがって、光ファイバ２から出射した光信号における中心部分の光も、その大部分が発光素子１３を通って受光素子１２に到達することとなる。

また、発光素子１３のｐ型ＧａＮクラッド層とｎ型ＧａＮクラッド層の一部とは、いずれも発光面１３ｃ側に露出している。そして、図３に示すように、ｎ型ＧａＮクラッド層に接続されるカソード電極パッド２１と、ｐ型ＧａＮクラッド層に接続されるアノード電極パッド２２とは、いずれも発光素子１３の発光面１３ｃ側に配置されている。カソード電極パッド２１及びアノード電極パッド２２は、それぞれワイヤ２３，２４を介して所定の回路に電気的に接続されている。また、受光素子１２の受光面１２ａ側において、受光面１２ａと重ならない位置に受光素子１２のカソード電極パッド２５が配置されている。このカソード電極パッド２５も、ワイヤ２６を介して所定の回路に電気的に接続される。

なお、カソード電極パッド２１に接続されるワイヤ２３と、アノード電極パッド２２に接続されるワイヤ２４とは、受光面１２ａの前面に位置して光ファイバ２から出射する光信号の一部を遮るが、ワイヤ２３，２４の径を適宜選択し、ワイヤ２３，２４で遮られる面積を受光面１２ａに対して十分に小さくすることで、単芯光トランシーバ１の受光感度への影響を十分に抑えられる。

さらに、単芯光トランシーバ１は、図４に示すように、上述した発光素子１３及び受光素子１２の動作を制御するスイッチ３１を有している。このスイッチ３１は、単芯光トランシーバ１の外部に設けられた制御部３２からの切替信号によって制御され、発光素子１３の光出射時に受光素子１２の出力をローレベルとして実質的に受光素子１２の動作を停止させ、受光素子１２の受光時に発光素子１３の出力をローレベルとして実質的に発光素子１３の動作を停止させる。これにより、光通信システムＳにおいて、送信と受信とが同時には動作しない半二重通信方式が実現されている。

図４の回路では、送信モードにおいて、発光素子１３（ＬＥＤ）の出射（発光）時に実質的に受光素子１２（ＰＤ）の動作を停止させ、受信モードにおいて、ＬＥＤの動作を停止することで、送信と受信とが同時に動作しない半二重通信を実現している。そのタイミングチャートを図６に示す。

図４の回路は、図６のタイミングチャートに示すように動作する。送信モードの際に駆動用電気信号がＬＥＤに入力されると、ＬＥＤから光ファイバに対して通信用の光信号が出力される。ＬＥＤからの発光（通信用光信号）は光ファイバ２側だけでなく同時にサファイア基板側にも出射される。

特に図２のように、ＰＤの受光面上にＬＥＤを同軸に配置している場合、ＬＥＤの基板側に出射される光の影響を受ける。ＬＥＤの基板がＬＥＤの発光波長に対して吸収する材料である場合や、基板の裏面側全面に電極が形成されている場合には、ＬＥＤから基板側に出射された光は基板で吸収されるか、基板裏面に被覆された電極により反射されてしまうため、大きな影響はない。

しかしながら、本発明のように、ＬＥＤの発光波長を透過するサファイア基板上に窒化物半導体を積層し、サファイア基板の裏面側にも電極が形成されていない場合、ＬＥＤから出射された光は、光ファイバによって伝送される光と同じ波長を有するので、ファイバから伝送される光と同様に、サファイア基板を透過し、直下にあるＰＤの受光面にも入射する。ＬＥＤ直下に配置されたＰＤでは、入射した光によりＰＤ内部で電荷が発生し、ＰＤのカソードから光電流として出力される。

このため、図４の回路においてスイッチ３１がない場合は、送信モードの際にＰＤから信号が出力されてしまい（図５）、誤動作の原因になる。図４の回路では制御部からの切り替え信号によって、スイッチ３１を制御して送信モードの際は受光素子の出力をローレベルとすることで、実質的に受光素子の動作を停止させる。そのため、送信モードではＰＤから信号が出力されることはなく、誤動作は抑制される。

更に図７の接続例では、ＰＤのアノード−カソード間を放電スイッチＡを介して接続するように構成している。上述のように送信モードの際には、ＰＤにはＬＥＤからの出射光が入射するため、ＰＤ内部で電荷が発生する。この回路では、送信モードの際にＰＤ動作を停止し、ＰＤから信号を出力しないだけでなく、ＰＤのアノード−カソード間のスイッチＡをオンしてカソードーアノー−ド間を接続して接地電位とすることで、ＰＤ内で発生した電荷を放電する。ＰＤ内部で発生した電荷がＰＤ内部に蓄積された状態（チャージされた状態）のままで、受信モードに切り替えた場合、ＰＤから蓄積された電荷が光電流として漏れ出てしまう為、誤動作の原因になる。誤動作の原因となるチャージされた電荷分がなくなるまでは、通常の受信モードとしての動作ができないため、送信モードと受信モードとの間の期間が長くなってしまう。図７の回路によればＬＥＤの発光によりＰＤ内で発生した電荷は発生と同時に放電されるため、ＰＤ内部に蓄積（チャージ）されることがない。従って受信モードに切替えた際にすぐに通常動作に移行することができる。受信モードの期間ではスイッチＡをオフにすることで、光ファイバを伝送した信号光は、ＬＥＤを介してＰＤに入力光信号として入射し、ＰＤから電気信号として出力することができる。

また、ＰＤの図７のスイッチＡの代わりに図８の接続例に示すように、ＰＤのカソード端をＶｃｃ等の基準電位に接続する為の放電スイッチＢを設け、送信モードの際にスイッチＢをオンすることで、ＰＤのカソードをＶｃｃ等の基準電位に接続し、ＰＤ内部で発生した電荷を放電してもよい。この構成でも図７と同様にＬＥＤの発光によりＰＤ内で発生した電荷は発生と同時に放電されるため、ＰＤ内部に蓄積（チャージ）されることがない。したがって、受信モードに切替えた際にすぐに通常動作に移行することができる。受信モードの期間ではスイッチＢをオフにすることで、光ファイバを伝送した信号光は、ＬＥＤを介してＰＤに入力光信号として入射し、ＰＤから電気信号として出力することができる。

以上説明したように、単芯光トランシーバ１では、受光素子１２の受光面１２ａ上にサファイア基板１３ｂを受光面１２ａと同軸に配置し、当該サファイア基板１３ｂ上に窒化物半導体層１３ａを形成して発光素子１３となるＬＥＤを構成している。このように、受光素子１２と発光素子１３とが同軸上に配置されることで、単一の光ファイバ２との結合が可能となる。また、発光素子１３の基板にサファイア基板１３ｂが用いられることで、光ファイバ２における伝送損失の小さい波長帯（例えば４５０ｎｍ〜６００ｎｍ）の光信号を、サファイア基板１３ｂを通して受光素子１２の受光面１２ａまで到達させることができる。したがって、受光素子１２の受光面１２ａ上に発光素子１３が配置されていても、光ファイバ２からの光のうちで最も光強度の強い中心部分の光を含め、受光面１２ａの全体で光ファイバ２からの光信号を受光することができ、受光感度を十分に向上できる。

また、単芯光トランシーバ１では、発光素子１３におけるカソード電極パッド２１及びアノード電極パッド２２がいずれも発光素子１３の発光面１３ｃ側に設けられている。これにより、発光素子１３の裏面に電極や配線等を形成する必要がなくなるので、サファイア基板１３ｂにおける光信号の透過領域を十分に確保できる。したがって、受光感度を一層十分に向上できる。

また、単芯光トランシーバ１では、発光素子１３の動作時に受光素子１２の動作を停止させ、受光素子１２の動作時に発光素子１３の動作を停止させるスイッチ３１を更に備えている。これにより、発光素子１３の発光による受光素子１２のノイズや、受光素子１２の受光時の乱反射による不具合を抑制できる。

続いて、本発明の効果確認実験について説明する。

本実験は、サファイア基板上に窒化物半導体層を積層して得られた緑色ＬＥＤを、Ｓｉフォトダイオードからなる受光素子の受光面上に配置して構成した単芯光トランシーバ（実施例）と、ＧａＡｓ基板上に窒化物半導体層を積層して得られた赤色ＬＥＤを、Ｓｉフォトダイオードからなる受光素子の受光面上に配置して構成した光トランシーバ（比較例）とをそれぞれ作製し、各サンプルについて受光感度と最大通信距離とを評価したものである。

実施例及び比較例では、いずれも受光面が０．８ｍｍφ（約０．５ｍｍ^２）のＳｉフォトダイオードを用いた。また、実施例では、緑色ＬＥＤのチップサイズを０．３４ｍｍ×０．３５ｍｍ（約０．１２ｍｍ^２）とし、比較例では、赤色ＬＥＤのチップサイズを０．２３ｍｍ×０．２３ｍｍ（約０．０５３ｍｍ^２）とした。したがって、Ｓｉフォトダイオードの受光面の露出面積は、元々の面積を１とすると、実施例では約０．７６、比較例では約０．８９となる。

かかる条件で、実施例及び比較例についてＳｉフォトダイオードでの受光損失を計測したところ、図９に示すように、実施例では約−１．５ｄＢｍであったのに対し、比較例では約−２．５ｄＢｍとなり、ＬＥＤのチップサイズが大きいにも関わらず、実施例の受光損失の方が比較例の受光損失よりも約１．０ｄＢｍ程度小さくなるという結果が得られた。この結果から、実施例では、光ファイバからの光信号がサファイア基板を通して受光素子の受光面に到達し、受光面１２ａの全体で光ファイバ２からの光信号を受光することができていると確認できた。なお、Ｓｉフォトダイオードにおける緑色光（波長約５１０ｎｍ）の受光感度は、赤色光（波長約６５０ｎｍ）の受光感度に対して約０．７ｄＢｍ低下するが、光トランシーバの最小受信感度としては、差し引き約０．３ｄＢｍ向上することとなる。

また、光ファイバとしてプラスチックオプティカルファイバを用いる場合、赤色光の伝送損失が約０．１５ｄＢ／ｍであるのに対し、緑色光に対する伝送損失は約０．０９ｄＢ／ｍである。したがって、同等の駆動ＩＣ及び信号処理ＩＣを用いた場合、光通信システムにおける最大通信距離は、比較例では１００ｍ程度であるのに対し、実施例では１７０ｍ程度に向上させることが可能となる。

本発明は、産業上に利用可能である。

１…単芯光トランシーバ、２…光ファイバ、３…レンズ、１１…リードフレーム、１２…受光素子、１２ａ…受光面、１３…発光素子、１３ａ…窒化物半導体層、１３ｂ…サファイア基板、１３ｃ…発光面、１４…樹脂層、２１…カソード電極パッド、２２…アノード電極パッド、２３…ワイヤ、２４…ワイヤ、２５…カソード電極パッド、２６…ワイヤ、３１…スイッチ、３２…制御部。

Claims (9)

1. 単一の光ファイバを介して光信号を送受信する光トランシーバであって、
   前記光信号を送信する発光素子と、前記光信号を受信する受光素子と、を備え、
   前記発光素子は、前記受光素子の受光面上に当該受光面と同軸に配置されたサファイア基板と、前記サファイア基板上に積層された窒化物半導体層とを含んで構成されたＬＥＤであり、
   前記発光素子の動作時に前記受光素子の動作を停止させ、前記受光素子の動作時に前記発光素子の動作を停止させるスイッチを備えることを特徴とする単芯光トランシーバ。
2. 前記発光素子は、当該発光素子の発光波長に対して透明性を有する樹脂を介して前記受光素子の前記受光面に固定されていることを特徴とする請求項１記載の単芯光トランシーバ。
3. 前記樹脂は、エポキシ系樹脂又はシリコーン系樹脂であることを特徴とする請求項２記載の単芯光トランシーバ。
4. 前記発光素子におけるカソード電極パッド及びアノード電極パッドは、いずれも前記発光素子の発光面側に設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の単芯光トランシーバ。
5. 前記発光素子から送信される前記光信号の波長は、４５０ｎｍ〜６００ｎｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の単芯光トランシーバ。
6. 前記発光素子から送信される前記光信号の波長は、５１０ｎｍであることを特徴とする請求項５記載の単芯光トランシーバ。
7. 前記受光素子のアノード−カソード間を放電スイッチを介して接続し、
   前記発光素子の動作時に、前記放電スイッチをオンし、
   前記受光素子の動作時に、前記放電スイッチをオフにすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の単芯光トランシーバ。
8. 前記受光素子のカソード端が放電スイッチを介して基準電位に接続し、
   前記発光素子の動作時に、前記放電スイッチをオンし、
   前記受光素子の動作時に、前記放電スイッチをオフにすることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項記載の単芯光トランシーバ。
9. 前記単一の光ファイバはプラスチックオプティカルファイバであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載の単芯光トランシーバ。