JPH0384968A - 光結合装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、光結合装置に関し、特に電子機器内の”Ｏ”
、“ｌ”に相当する特定信号を送る光アイソレータに係
る。

〈従来技術〉 従来の光結合装置（光アイソレータ）は、光源として発
光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザダイオード（ＬＤ
）等の発光素子を使用し、この発光素子と受光素子（フ
ォトダイオード（ＰＤ）またはフォトトランジスタ（Ｐ
Ｔ））とを互に近接させて配置し、発光素子から発光し
た光を受光素子で受け、それを電気信号に戻していた。

この内容に基づ〈従来の光アイソレータの一例を第３図
に示す。

第３図中、１は発光素子、２は受光素子、３はリードフ
レーム、４はボンディングワイヤ、５は透明樹脂、６は
パッケージであり、発光素子１から出た光は、透明樹脂
５を通過し受光素子２に至り、電気信号に変換される。

〈　発明が解決しようとする課題　〉 しかしながら、従来の光アイソレータにおいて、受光素
子には、一般的にフォトダイオードまたはフォトトラン
ジスタが使用されている。しかし、５０ＭＨｚ以上の高
速光信号が入射した場合、フォトダイオード、フォトト
ランジスタの応答がそのチップ構造および材料にからむ
誘電率、キャリアの移動速度の問題により遅くなり、高
速での信号伝送に問題をきたしている。

すなわち、現状の光アイソレータでは、受光素子として
用いられているフォトダイオード、フォトトランジスタ
がその素子構造上、また材料特性上、信号入射光線に対
し十分な速度応答ができなくなる。これは、受光素子と
してのフォトダイオード、フォトトランジスタの持つ接
合容量、キャリアの移動速度等により応答速度かついて
こないことに起因している。

この問題を解消するために、チップサイズの縮小化、キ
ャリアの移動速度の高い、材料の選定、素子構造の改善
等の努力が払われている。しかし、材料によって波長感
度も変るため高速応答化が非常に難しい状況にある。

これを具体的に詳述すると、光アイソレータを考えた場
合、発光ダイオードに代表される光源は、現在、ダブル
へテロ構造が採用され、かつＧａＡｓ系の駆動回路が開
発されている。また、レーザダイオードも光源として利
用されてきており、内部変調や外部変調され高速駆動が
実現されてきている。一方、受光素子としては、ＩｎＧ
ａＡｓ系のＰＩＮ型フォトダイオード等が製作され、高
速対応化が図られている。しかし、その波長感度がｌ。

３Ｉｔｍ帯と長波長側にあり、０．７μｍ帯の短波長に
対して感度を有していない。そこで、０．７μｍ帯に対
し感度を持たすためには、Ｓｉ系のＰＩＮ型フォトダイ
オードが必要となるが、キャリアの移動速度か低いため
、高い逆バイアス電圧を印加しても０．５ＧＨｚが限度
であり、また高価な受光素子となる。

そこで、本発明は、上記に鑑み、高速光信号に対しても
高速応答できる光結合装置の提供を目的とする。

〈　課題を解決するための手段　〉 本発明による課題解決手段は、第１．２図の如く、発光
素子１０と、発光素子１０から変調された光線が照射さ
れ光電子を放出するカソード側の受光素子１１と、発光
素子１０および受光素子ｌＩが一体的に収納され受光素
子１１より発生する光電子を集束するアノード側を兼用
するパッケージ１３とを備え、前記受光素子１１に仕事
関数の小さい材料が使用され、前記発光素子１０に受光
素子ＩＩの仕事関数を乗り越えるに十分な波長を有する
材料が使用され、前記パッケージ１３の内部が真空状態
とされるかもしくは希薄不活性ガスが封入されたもので
ある。

〈作用〉 上記課題解決手段において、発光素子ＩＯ１受光素子１
１を一体的にパッケージ１３に収納し、パッケージ１３
内を真空状態とするかもしくは希薄不活性ガスを封入す
る。

これにより、発光素子ｌＯから変調された光子（フォト
ン）をカソード側とした受光素子１１に照射すると、受
光素子１１から光電子が放出され、アノード側としたパ
ッケージ１３か光電子を集束する。この光電子を検出し
電気信号に変換する。

このように、発光素子ＩＯから変調された光線が照射さ
れ光電子を放出するカソード側の受光素子１１と、受光
素子１１より発生する光電子を集束するアノード側を兼
用するパッケージ１３とを備え、しかも受光素子２に仕
事関数の小さい材料を使用し、発光素子１０に受光素子
１１の仕事関数を乗り越えるに十分な波長を有する材料
を使用しているので、受光素子１１の仕事関数よりも大
きいエネルギーを有する光子（フォトン）に対して全て
感度を有することが可能となり短波長側の感度が向上し
、受光素子１１がフォトダイオード、フォトトランジス
タのように接合面を持たずに済み接合容量の問題も無く
なる。

また、パッケージ１３の内部は、真空状態とするかもし
くは希薄不活性ガスが封入されているので、キャリアの
移動速度が高くなる。

したがって、高速光信号に対しても高速応答性を得るこ
とができる。

〈実施例〉 以下、本発明の一実施例を第１．２図に基づいて説明す
る。

第１図は本発明の一実施例を示す光結合装置の回路構成
図、第２図は同じくその構造を示す断面図である。

図示の如く、本実施例の光結合装置（光アイソレータ）
は、発光素子ｌＯと、発光素子ｌＯから変調された光線
が照射され光電子を放出するカソード側の受光素子１１
と、発光素子ｌＯおよび受光素子１１が一体的に収納さ
れ受光素子１１より発生する光電子を集束するアノード
側を兼用するパッケージＩ３とを備え、発光素子１０よ
り放射された光に対応して放出される光電子を検出し電
気信号に変換する。

そして、前記受光素子１１に仕事関数の小さい材料が使
用され、前記発光素子１０に受光素子１１の仕事関数を
乗り越えるに十分な波長を有する材料が使用され、前記
パッケージ１３の内部が、真空状態とされるかもしくは
希薄不活性ガスが封入されたものである。

前記発光素子１０は、ＧａＡｓ、ＧａＡ（ＩＡｓ、Ｇａ
ＡｓＰ、ＧａＰ系等の発光ダイオードもしくはレーザダ
イオードが使用されており、第１図の如く、変調電流１
４で駆動し、パルス発光させエネルギーｈνを持つ光子
（フォトン）を受光素子ｌｌに照射する。該発光素子１
０は、第２図の如く、発側リードフレーム１５に搭載さ
れている。

前記受光素子１１は、Ａｇ０Ｃｓ、５ｂＣｓ、Ｂ１Ｃｓ
系等の仕事関数の小さい材料（特に、可視光から近赤外
領域に光電効果を有する材料）か選定されており、発光
素子ＩＯの照射によりカソードとして光電子ｅ−を放出
する。該受光素子１１は、第１図の如く、電源■６に接
続されており、第２図の如く、受光側リードフレーム１
７に搭載されている。

ここで、仕事関数とは、温度０１Ｋ］のときの金属の自
由電子１個を金属外に引き出すに要するエネルギーをい
う。

前記パッケージ１３は、第１，２図の如く、外乱光の入
射を防止しアノード側として受光素子１１から放出され
る光電子ｅ−を集束するため、導電性金属板により箱形
（キャンタイプ）に形成されており、発光素子ＩＯおよ
び受光素子１１が一体的に対向配置され光学的に結合さ
れるよう収納されている。該パッケージ！３のＡ部は、
カソード側の受光素子ｌｌのリードフレーム１７と発光
素子ＩＯのリードフレームＩ５との絶縁性を確保するた
め、ステンレス鋼、モリブデンまたは４２アロイ（Ｎｉ
−Ｆｅ合金）等によりハーメチックシール等が施され、
抵抗１８を介して電源１６に接続されている。これによ
り、抵抗Ｉ８がアノード側のパッケージＩ３の光電流を
検出し出力Ｖｏｕｔを得る。

なお、前記電源Ｉ６は、受光素子１１．パッケージ１３
間にかけろバイアス電圧を支えるものである。そして、
パッケージ１３の内部は、キャリアの移動速度を高める
ため、真空状態とされるかもしくは希薄不活性ガスが封
入されている。特に、パッケージ１３内に希ガス封入す
ることで、受光素子１１より放射された光電子ｅ−が希
ガス元素に衝突し、さらに電子が飛び出し電子増幅が行
なわれる。なお、第２図中、１９は真空部もしくは希ガ
ス封入部である。

上記光アイソレータの製造工程を第２図に基づいて説明
する。

まず、発光素子ＩＯおよび受光素子１１をリードフレー
ム１５．１７に夫々搭載する。そして、発光素子１０．
受光素子１１を対向配置し、これらを一体的にパッケー
ジ１３に収納する。さらに、パッケージ１３内を真空状
態とするかもしくは希薄不活性ガスを封入して完成する
。

次に、光アイソレータの動作を第１図に基づいて説明す
る。

発光素子（光源）１０を変調電流１４で駆動し、パルス
発光させエネルギーｈνを持つ光子（フォトン）をカソ
ード側とした受光素子１１に照射する。

このとき、物理現象として知られているコンプトン効果
により受光素子１１から光電子ｅ−か放出され、アノー
ド側としたパッケージ１３か光電子ｅ−を集束する。

コンプトン効果とは、物質によって散乱されたＸ線のな
かに、その波長が入射Ｘ線のそれより長い方に変わった
ものが含まれている現象をいう。

波長変化は２λ。ｓｉｎ’（θ／２）で与えられる。こ
こでλ。は、λｏ＝ｈ／　ｍｃ＝　０　、　０２４　Ａ
（ｈはプランクの定数、ｍは電子の質量、Ｃは真空中の
光速度）でコンプトン波長とよばれ、θは入射方向と散
乱方向とのなす角である。この波長変化はＸ線（その振
動数ν）の光子（そのエネルギーはｈν、運動量はｈν
／ｃ）と電子との衝突においてエネルギー保存と運動量
保存の法則がそれぞれ成立すると仮定することにより説
明される。したがってこの場合同時に、光子によっては
じき飛ばされた電子（反跳電子）の放射を伴う。散乱Ｘ
線にはコンプトン効果によって波長の変わったもののほ
かに、波長が不変のものも含まれ、前者をコンプトン散
乱（または非干渉性散乱）、後者を干渉性散乱とよぶ。

これらは入射線に対し、それぞれ非干渉性、または干渉
性の性質をもつ。コンプトン散乱は入射Ｘ線の波長が短
いほど、散乱角が大きいほど、また散乱物質の原子番号
が小さいほど著しく現われ、自由電子に対してはこれだ
けになると予想される。

そして、アノード側のパッケージ１３の光電流を抵抗１
８で検出し、出力Ｖ　ｏｕｔを得て電気信号に変換する
。

このように、発光素子１０から変調された光線が照射さ
れ光電子を放出するカソード側の受光素子１１と、受光
素子１１より発生する光電子を集束するアノード側を兼
用するパッケージ１３とを備え、しかも受光素子！ｌに
仕事関数の小さい材料を使用し、発光素子１０に受光素
子１１の仕事関数を乗り越えるに十分な波長を有する材
料を使用しているので、受光素子ｉｔの仕事関数よりも
大きいエネルギーを有する光子（フォトン）に対して全
て感度を有することが可能となり短波長側の感度が向上
し、受光素子１１がフォトダイオード、フォトトランジ
スタのように接合面を持たずに済み接合容量の問題も無
くなる。

また、パッケージ！３の内部は、真空状態とされるかも
しくは希薄不活性ガスが封入されているので、キャリア
の移動速度が高くなる。

したがって、受光素子の接合容量およびキャリアの移動
度の問題は無く、光電子のアノード、カソード間距離を
走行するのに要する時間に対応する遅れのみを考慮すれ
ば良く、ＧＨｚオーダの高速光信号に対しても高速応答
性を得ることができる。

これにより、今迄にはなかった短波長域から可視光域の
波長を対象とした高速型の光アイソレータ用受光器、フ
ァイバ用受光器の開発が可能となり、従来の近赤外近傍
の波長を扱う受光素子の展開ができる。また、ＰＩＮ型
フォトダイオードのような気相成長、液相成長等の構造
を有しないバルク扱いが可能であり、素子の歩留りおよ
び工程省略化が行え、低価格化が可能となる。

〈発明の効果〉 以上の説明から明らかな通り、本発明によると、発光素
子から変調された光線が照射され光電子を放出するカソ
ード側の受光素子と、受光素子より発生する光電子を集
束するアノード側を兼用するパッケージとを備え、しか
も受光素子に仕事関数の小さい材料を使用し、発光素子
に受光素子の仕事関数を乗り越えるに十分な波長を有す
る材料を使用しているので、受光素子の仕事関数よりも
大きいエネルギーを有する光子（フォトン）に対して全
て感度を有することが可能となり短波長側の感度が向上
し、受光素子がフォトダイオード、フォトトランジスタ
のように接合面を持たずに済み接合容量の問題ら無くな
る。

また、パッケージの内部は、真空状態とされるかもしく
は希薄不活性ガスが封入されているので、キャリアの移
動速度が高くなる。

したがって、受光素子の接合容量およびキャリアの移動
度の問題は無く、光電子のアノード、カソード間距離を
走行するのに要する時間に対応する遅れのみを考慮すれ
ば良く、高速光信号に対しても高速応答性を得ることが
できるといった優れた効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す光結合装置の回路構成
図、第２図は同じくその構造を示す断面図、第３図は従
来の光結合装置の構造を示す断面図である。 １０；発光素子、Ｉｌ；受光素子、１３：パツケ−ジ、 １４：変調電流、 １５．１７：リードフレー ム、 １６：電源、 １８：抵抗。 出 願 人 シャープ株式会社 代 理 人 中 村 恒 久 第 図 第 図 第 図 ｏｕｔ １０：発光素子 １１：受光素子 １３：パッケージ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 発光素子と、発光素子から変調された光線が照射され光
   電子を放出するカソード側の受光素子と、発光素子およ
   び受光素子が一体的に収納され受光素子より発生する光
   電子を集束するアノード側を兼用するパッケージとを備
   え、前記受光素子に仕事関数の小さい材料が使用され、
   前記発光素子に受光素子の仕事関数を乗り越えるに十分
   な波長を有する材料が使用され、前記パッケージの内部
   が真空状態とされるかもしくは希薄不活性ガスが封入さ
   れたことを特徴とする光結合装置。