JP3756169B2 - 光受信装置 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、光通信に用いられる光受信装置に関する。

近年、情報の大容量化および通信速度の高速化に伴い、情報の伝送手段として光通信が用いられる事が多くなっている。光通信は現在、通信幹線系に於いて高速の通信手段として用いられているが、一方では、家庭内の情報化に伴い、家庭内機器間通信にも一部取り入れられている。今後は、その高速性および高信頼性を生かした、家庭内や車両内等の新規分野での通信及びネットワーク化に向けた用途が拡大する事が予測されている。特に、光通信の持つ耐外乱ノイズ性、または、低不要輻射ノイズ性という特長から、車両内の機器間通信手段として脚光を浴びており、一部の車両では既に実装されるなど、今後この分野での成長が期待されている。

光通信を行う為には、通信媒体である光ファイバ及び光を送受信する為の送受信装置が必要である。送信装置は、通信信号を光信号に変換して光ファイバに送り出す装置である。光信号に変換する為の光源には、発光ダイオード（ＬＥＤ）または半導体レーザ（ＬＤ）が一般に用いられる。これら光源を通信信号に応じて変調駆動する事により、光信号を得る事が出来る。

受信装置は、送信装置から発せられた光信号を光ファイバを介して受信する装置である。受信装置は、光信号を電気信号に変換する受光素子を内蔵している。受光素子としては、一般的にフォトダイオードと呼ばれる半導体素子を用いる。これは、受光感度範囲内の波長の光が受光部分に入射されると、入射光強度に応じた光電流と呼ばれる電流が流れるという特性を持つ素子である。フォトダイオードからの出力である光電流は、電流／電圧変換処理されて電圧信号として取り扱われる事が多い。

受光素子の出力は微弱な信号である為、後で増幅部により増幅して使用する必要があり、増幅部の増幅率が高いものが必要になる。この為、ノイズの影響を受け易い部分となっている。この対策に対しては従来、ｉ）ノイズ源と受光部分を離して配置する。ii）導電性のシールド部材で受光部分を覆う。等の措置が一般的に採られている。

又、前述した様に、今後の応用分野として車両内への使用の期待が大きいが、その場合には装置として高度な信頼性が要求される。使用温度に関しては、一般機器の様に室温付近での使用を前提にする事は出来ず、広い範囲の使用環境温度が要求される。特に、高温側での動作が要求され、高温時の安定動作が確保出来る、高放熱性を有する装置が必要とされる。

一方で、車載機器としては装置の小型化の要求がある為、ノイズシールド及び高放熱性を確保しつつ小型化を図るという相反した要求に応える必要がある。

これらの対応として、特開平１１−１３１２８３号公報に開示されている光受信装置では、受光部分を除いた透光性の封止樹脂をＮｉメッキしている。また、特開２００１−３６１００号公報に開示されている光受信装置では、フレキシブル基板に受光素子を取り付け、この受光素子に対して入射方向面のみを、接地用パッドにてノイズシールドしている。

しかしながら、上記従来の光受信装置には、以下の問題があった。

すなわち、上記ｉ）に示す光受信装置では、ノイズ源からの距離を確保する為には受信装置の小型化が困難となる。上記ii）に示す光受信装置では、シールド部材を追加する事によるコスト増大、組立工程の増加、小型化が困難という欠点がある。

また、特開平１１−１３１２８３号公報に開示されている光受信装置では、受光部分を除いた透光性の封止樹脂をＮｉメッキしているが、その為の製造工程の追加が必要となり、マスキングテープ等の中間部材も必要である。更には、この工程の追加の為に、製品歩留まりが低下する事が懸念され、これらにより生産コストの上昇が避けられない。又、放熱性については、発熱源（受光素子）からＮｉメッキ部分までに透光性の封止樹脂を介しているが、一般に、透光性の封止樹脂は、熱伝導が良くない為、放熱改善効果は良好とは言えない。

また、特開２００１−３６１００号公報に開示されている光受信装置では、受光素子に対して入射方向面のみをシールドしており、他の方向からのノイズ侵入に対しては効果がない。又、フレキシブル基板は、熱伝導があまり良くない為、放熱性が良くなく、高温時に基板の変形による受光軸ズレ等の懸念がある。
特開平１１−１３１２８３号公報 特開２００１−３６１００号公報

そこで、この発明の課題は、有効なノイズシールド効果を有し、高い放熱性を有し、しかも、小型化を実現できる光受信装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の光受信装置は、
開口部を有する導電性のフレームと、
このフレームの一面に、かつこのフレームの開口部の近傍に配置される電気絶縁性の基板と、
受光部を有すると共にこの受光部が上記フレームの開口部に重なるように上記基板の、上記フレームとは反対側の面に配置される受光素子と
を備え、
上記受光素子の受光部側と反対側の面、および、上記フレームは、接地され、または、電源電位に接続され、
上記フレームは、このフレームの一面でこのフレームの開口部の周りに凹部を有し、
上記基板は、上記フレームの凹部内に配置されていることを特徴としている。

ここで、上記受光部とは、上記受光素子で実際に光に反応する部分をいい、上記受光素子の受光部側の一面とは、受光面をいう。

この発明の光受信装置によれば、上記受光素子の受光部側の一面と反対側の他面、および、上記フレームは、接地され、または、電源電位に接続されるので、上記受光素子の一面側に（上記フレームの）ＧＮＤ電位または電源電位が存在し、かつ、上記受光素子の他面もＧＮＤ電位または電源電位となる。このように、上記受光素子の受光部等は、ＧＮＤ電位または電源電位で挟まれて、上記受光素子に対してＧＮＤ電位または電源電位のシールド構造が形成されることになる。これにより、上記受光素子の受光回路へのノイズシールドの効果が得られる。

また、上記フレームは、上記受光素子の一面側にＧＮＤ電位または電源電位を発生する役割を兼ねているので、別途、ノイズシールド効果を出すための部材を必要としない。このように、装置の小型化を図ることができる。

また、上記フレームは、上記受光素子で発生した熱を有効に放熱することができる。

したがって、有効なノイズシールド効果、および、高い放熱性を有すると共に、小型化を図ることができる光受信装置を実現できる。

また、上記基板は、上記フレームの凹部内に配置されているので、上記フレーム（ＧＮＤ電位または電源電位を有する部位）と上記受光素子の他面（ＧＮＤ電位または電源電位を有する部位）との距離がより短縮され、ノイズシールド効果を高めることができる。

また、一実施形態の光受信装置では、上記基板は、光透過性を有している。

この一実施形態の光受信装置によれば、上記基板は、光透過性を有するので、上記受光素子にて光線を確実に受光しつつ、装置の強度を向上できる。

また、一実施形態の光受信装置では、上記基板は、上記受光素子の受光部に重なる位置に開口部を有している。

この一実施形態の光受信装置によれば、上記基板は、開口部を有するので、上記基板の材料として、光透過性の材料よりも熱伝導率の良い材料を選択することができて、放熱性を向上できる。

また、一実施形態の光受信装置では、上記フレームの開口部と、上記基板の開口部と、上記受光素子の受光部とは、略同軸上に配置されている。

この一実施形態の光受信装置によれば、上記フレームの開口部と、上記基板の開口部と、上記受光素子の受光部とは、略同軸上に配置されているので、入射光量を効率良く上記受光部に入射することができて、上記受光部の受光効率を向上できる。

また、一実施形態の光受信装置では、上記基板の線膨張係数は、上記フレームの線膨張係数と上記受光素子の線膨張係数との間の値である。

この一実施形態の光受信装置によれば、上記基板の線膨張係数は、上記フレームの線膨張係数と上記受光素子の線膨張係数との間の値であるので、上記基板は、熱変化による上記フレームと上記受光素子による熱応力に対する緩衝材としての機能を有し、使用温度範囲の拡大を図ることができる。

また、一実施形態の光受信装置では、上記基板の線膨張係数は、上記フレームの線膨張係数よりも上記受光素子の線膨張係数に近い値である。

この一実施形態の光受信装置によれば、上記基板の線膨張係数は、上記フレームの線膨張係数よりも上記受光素子の線膨張係数に近い値であるので、上記受光素子に加わる熱応力を軽減できて、上記受光素子の破壊を防ぐことができる。

また、一実施形態の光受信装置では、上記フレームの凹部の深さ寸法は、上記基板の厚さ寸法よりも大きい。

この一実施形態の光受信装置によれば、上記フレームの凹部の深さ寸法は、上記基板の厚さ寸法よりも大きいので、シールドの密閉性に対する上記基板の影響を最小限に抑えることができる。

この発明の光受信装置によれば、上記受光素子の受光部側の一面と反対側の他面、および、上記フレームは、接地され、または、電源電位に接続されているので、有効なノイズシールド効果、および、高い放熱性を有すると共に、小型化を図ることができる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

（第１の参考例）
図１Ａは、この発明の光受信装置の一の参考例である側面断面図を示している。図１Ｂは、この発明の光受信装置の平面図を示している。この光受信装置は、開口部８を有する導電性のフレーム１と、このフレーム１の一面に、かつこのフレーム１の開口部８の近傍に配置される電気絶縁性の基板５と、受光部３を有すると共にこの受光部３が上記フレーム１の開口部８に重なるように上記フレーム１と反対側の上記基板５の一面に配置される受光素子２とを備える。

上記フレーム１は、金属等の導電性を有する材料からなり、接地されるＧＮＤ用フレーム１ａと、受光出力に接続される受光出力用フレーム１ｂと、電源電圧に接続される電源用フレーム１ｃとを備える。上記ＧＮＤ用フレーム１ａに、上記開口部８が設けられており、例えば図示しない光送信装置からの光線を、上記開口部８に通過させることができる。

上記基板５は、電気絶縁性を有する材料からなり、（矢印にて示す）上記ＧＮＤ用フレーム１ａへの光線の入射方向に対して反対側の上記ＧＮＤ用フレーム１ａの一面に配置されている。

上記受光素子２は、（矢印にて示す）上記基板５への光線の入射方向に対して反対側の上記基板５の一面に配置されている。そして、上記フレーム１の開口部８を通過した光線の内の少なくとも一部は、上記基板５を通過して上記受光素子２に受光される。すなわち、上記基板５は、光透過性を有し、上記基板５としては、例えばガラス基板である。

上記受光素子２は、上記開口部８を通ってきた入射光の少なくとも一部を受光するものである。上記受光素子２としては、フォトダイオード等の半導体を用いる。上記受光素子２の受光部３は、上記受光素子２で実際に光に反応する部分である。

上記フレーム１の開口部８の形状は、特に規定しないが、上記受光素子２の受光部３に光を通過させられる形状であればよい。したがって、上記受光部３は、上記開口部８を通過する光の少なくとも一部を受光できるように配置される。なお、上記受光部３の受光効率を考慮すると、上記フレーム１の開口部８と上記受光素子２の受光部３は、略同軸上に配置されるのが好ましい。

次に、上記フレーム１、上記基板５および上記受光素子２の実装方法の一例を、図１Ａ〜図１Ｄを用いて説明する。

上記受光素子２としては、フォトダイオード等の光半導体と呼ばれるものを使用してもよいが、近年では、フォトダイオードおよびフォトダイオードの出力増幅部等の周辺回路を集積化したもの（ＩＣ）を、便宜性のために、使用している。

この参考例では、上記受光素子２として、光半導体ＩＣを用いる。図１Ｄは、上記受光素子２を受光部３（受光面）側からみた底面図を示す。上記受光素子２は、受光面と同じ面に、信号用の電極（パッド）７を有する。この電極７は、ＧＮＤ用電極７ａと、出力信号用電極７ｂと、電源用電極７ｃとを有する。また、上記受光素子２の受光部３側の一面と反対側の他面（裏面）には、ＧＮＤ電位のものを用いる。なお、上記受光素子２（ＩＣ）の裏面は、通常ＧＮＤ電位であるが、電源電圧のものもある。この場合は、上記フレーム１も電源電圧にする。

図１Ｃは、上記基板５を一面側からみた平面図を示す。上記受光素子２を上記基板５に実装したときに、上記受光素子２の上記電極７からの信号を取り出すことができるように、上記基板５の上記受光素子２側の面（一面）には、導電性のパターン６が配置される。このパターン６は、ＧＮＤ用パターン６ａと、出力信号用パターン６ｂと、電源用パターンを６ｃとを有する。

そして、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、上記受光素子２、上記基板５および上記フレーム１を実装し、上記基板５のパターン６と上記フレーム１とを、ワイヤ４にて、電気的に接続する。上記ワイヤ４は、第１のワイヤ４ａ、第２のワイヤ４ｂ、第３のワイヤ４ｃおよび第４のワイヤ４ｄを有する。

すなわち、図１Ａ〜図１Ｄに示すように、上記受光素子２のＧＮＤ用電極７ａ、上記基板５のＧＮＤ用パターン６ａおよび上記ＧＮＤ用フレーム１ａは、上記第１のワイヤ４ａを介して、電気的に接続されている。

上記受光素子２の出力信号用電極７ｂ、上記基板５の出力信号用パターン６ｂおよび上記受光出力用フレーム１ｂは、上記第２のワイヤ４ｂを介して、電気的に接続されている。

上記受光素子２の電源用電極７ｃ、上記基板５の電源用パターン６ｃおよび上記電源用フレーム１ｃは、上記第３のワイヤ４ｃを介して、電気的に接続されている。

上記受光素子２の他面（裏面）および上記ＧＮＤ用フレーム１ａは、上記第４のワイヤ４ｄを介して、電気的に接続されている。なお、上記第４のワイヤ４ｄについては、上記受光素子２の裏面を、ＧＮＤ電位にするためのものであるが、上記第１のワイヤ４ａにより、上記受光素子２の裏面も同時にＧＮＤ電位にできる場合は、省略しても良い。

上記構成の光受信装置によれば、上記受光素子２の他面（裏面）、および、上記ＧＮＤ用フレーム１ａは、接地されているので、上記受光素子２の一面（前面）にＧＮＤ電位を有する上記ＧＮＤ用フレーム１ａが配置されるようになっており、かつ、上記受光素子２の裏面もＧＮＤ電位であるために、丁度、上記受光素子２の受光部３および回路部がＧＮＤ電位で挟まれる構造となっている。これにより、ノイズシールドの効果が得られる。

ただし、上記基板５の厚みがあまり大きいと、シールドの隙間が大きくなることを意味するため、上記基板５の厚みは薄い方が好ましい。しかしながら、上記基板５の厚みが過度に薄すぎると、上記基板５の高温時の熱応力による変形または破損が考えられるために、上記基板５の厚みは適度な大きさにする。

また、上記基板５の材料として、この基板５の線膨張係数の値が、上記フレーム１の線膨張係数と上記受光素子２の線膨張係数との間の値となるものを選べば、熱変化による上記フレーム１と上記受光素子２による熱応力に対する緩衝材としての機能を上記基板５に持たす事ができて、使用温度範囲の拡大を図ることができる。例えば、上記フレーム１の主材料をＣｕ、上記基板５の主材料をガラス、上記受光素子２の主材料をＳｉとすると、上記フレーム１の線膨張係数は、１７ｐｐｍ／ｋであり、上記基板５の線膨張係数は７．７ｐｐｍ／ｋであり、上記受光素子２の線膨張係数は、２．８ｐｐｍ／ｋであり、上記条件を満足できる。

さらに望ましくは、上記基板５の材料として、この基板５の線膨張係数の値が、上記フレーム１の線膨張係数よりも上記受光素子２の線膨張係数に近い値となるものを選んだ方が、上記受光素子２に加わる熱応力を軽減できる。これは、上記フレーム１に加わる熱応力と上記受光素子２に加わる熱応力のどちらを軽減すべきかというと、上記受光素子２の破壊を招く熱応力を防ぐ方が優先されるべきであるためである。

上記受光素子２で発生した熱は、主に上記基板５を介して、上記ＧＮＤ用フレーム１ａに流れる。上記ＧＮＤ用フレーム１ａからは、さらに、上記ＧＮＤ用フレーム１ａの周囲、および、この光受信装置が実装される（図示しない）マスターボードに、熱が流れることにより、有効な放熱を行うことができる。

なお、上記基板５に熱伝導率の良い材料を使うほど、放熱効果は向上する。この参考例では、上記基板５にガラスを用いており、このガラスは電気絶縁性材料としては熱伝導率がよい。また、上記フレーム１の表面積および厚み（通常は、０．２５〜０．５ｍｍ程度）は大きいほど、上記フレーム１の熱伝導率を上げることができ、一層、放熱性を向上できる。

（第２の参考例）
図２は、この発明の光受信装置の第２の参考例を示している。上記第１の参考例と相違する点は、上記基板５は、上記受光素子２の受光部３に重なる位置に開口部９を有することである。この基板５の開口部９の開口位置および形状は、上記フレーム１の開口部８を通って入射する光の内の少なくとも一部を透過させることができる位置および形状であれば良い。

このように、上記基板５は、開口部９を有するので、上記基板５の材料として、光透過性の材料よりも熱伝導率のよい材料を選択することができて、放熱性を向上できる。

また、上記フレーム１の開口部８と、上記基板５の開口部９と、上記受光素子２の受光部３とは、略同軸上に配置されていることが好ましく、入射光量を効率良く上記受光部３に入射することができて、上記受光部３の受光効率を向上できる。

（第１の実施形態）
図３は、この発明の光受信装置の第１の実施形態を示している。上記第２の参考例と相違する点は、上記フレーム１は、このフレーム１の一面でこのフレーム１の開口部８の周りに凹部１０を有し、上記基板５は、上記フレーム１の凹部１０内に配置されていることである。すなわち、上記凹部１０の形成位置は、概略、上記基板５の実装位置である。

このように、上記基板５は、上記フレーム１の凹部１０内に配置されているので、上記フレーム１（ＧＮＤ電位を有する部位）と上記受光素子２の他面（ＧＮＤ電位を有する部位）との距離がより短縮され、ノイズシールド効果を高めることができる。

また、上記フレーム１の凹部１０の深さ寸法ｄは、上記基板５の厚さ寸法ｔよりも大きくすることが好ましく、シールドの密閉性に対する上記基板５の影響を最小限に抑えることができる。

なお、この第１の実施形態では、開口部９を有する上記基板５を用いているが、上記第１の参考例で示したような光透過性を有する上記基板５を用いてもよい。

なお、この発明は上述の実施形態に限定されない。例えば、上記受光素子２の他面（裏面）、および、上記ＧＮＤ用フレーム１ａは、接地される代わりに、電源電位（上記受光素子２の電源電圧電位）に接続されるようにしてもよく、安定的な電位であれば、ノイズシールド効果が期待できる。

本発明の光受信装置の第１参考例を示す側面断面図である。 本発明の光受信装置の平面図である。 基板の平面図である。 受光素子の底面図である。 本発明の光受信装置の第２参考例を示す側面断面図である。 本発明の光受信装置の第１実施形態を示す側面断面図である。

符号の説明

１ フレーム
２ 受光素子
３ 受光部
４ ワイヤ
５ 基板
６ パターン
７ 電極
８ （フレームの）開口部
９ （基板の）開口部
１０ 凹部
ｄ （凹部の）深さ寸法
ｔ （基板の）厚さ寸法

Claims (7)

1. 開口部を有する導電性のフレームと、
   このフレームの一面に、かつこのフレームの開口部の近傍に配置される電気絶縁性の基板と、
   受光部を有すると共にこの受光部が上記フレームの開口部に重なるように上記基板の、上記フレームとは反対側の面に配置される受光素子と
   を備え、
   上記受光素子の受光部側と反対側の面、および、上記フレームは、接地され、または、電源電位に接続され、
   上記フレームは、このフレームの一面でこのフレームの開口部の周りに凹部を有し、
   上記基板は、上記フレームの凹部内に配置されていることを特徴とする光受信装置。
2. 請求項１に記載の光受信装置において、
   上記基板は、光透過性を有することを特徴とする光受信装置。
3. 請求項１に記載の光受信装置において、
   上記基板は、上記受光素子の受光部に重なる位置に開口部を有することを特徴とする光受信装置。
4. 請求項３に記載の光受信装置において、
   上記フレームの開口部と、上記基板の開口部と、上記受光素子の受光部とは、略同軸上に配置されていることを特徴とする光受信装置。
5. 請求項１に記載の光受信装置において、
   上記基板の線膨張係数は、上記フレームの線膨張係数と上記受光素子の線膨張係数との間の値であることを特徴とする光受信装置。
6. 請求項５に記載の光受信装置において、
   上記基板の線膨張係数は、上記フレームの線膨張係数よりも上記受光素子の線膨張係数に近い値であることを特徴とする光受信装置。
7. 請求項１に記載の光受信装置において、
   上記フレームの凹部の深さ寸法は、上記基板の厚さ寸法よりも大きいことを特徴とする光受信装置。

Images