JP2008135421A

JP2008135421A - 光結合装置

Info

Publication number: JP2008135421A
Application number: JP2006318145A
Authority: JP
Inventors: Nariyuki Sakura; 成之佐倉; Hideaki Motojima; 英昭元嶋; Michio Sagawa; 路生佐川
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Discrete Semiconductor Technology Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Device Solutions Corp
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2008-06-12

Abstract

【課題】小型化された多チャネル伝送が可能な光結合装置を提供する。
【解決手段】第１の発光素子と、前記第１の発光素子からの放射光を受光する第１の受光素子と、前記第１の発光素子と前記第１の受光素子との間に設けられ、第１の波長帯の光に対する透過率が前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の光に対する透過率よりも高い第１のフィルタと、第２の発光素子と、前記第２の発光素子からの放射光を受光する第２の受光素子と、前記第２の発光素子と前記第２の受光素子との間に設けられ、前記第２の波長帯の光に対する透過率が前記第１の波長帯の光に対する透過率よりも高い第２のフィルタと、を備えたことを特徴とする光結合装置が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光結合装置に関する。

異なる電源系間を絶縁した状態で信号伝送を行うと、電子機器の安定動作が可能になる。電気的に絶縁した状態で信号伝送を行う場合、光結合装置（フォトカプラなどと呼ばれる）を用いることができる。この光結合装置においては、一方の系からの電気信号を発光素子により光信号に変換し、受光素子に入射した光信号は電気信号に戻され他方の系に信号が伝達される。
２つの光素子間に光透過性ボールを設けた簡易な光結合装置の技術開示例がある（特許文献１）。
特開２００５―６４１５５号公報

本発明は、小型化された多チャネル伝送が可能な光結合装置を提供する。

本発明の一態様によれば、第１の発光素子と、前記第１の発光素子からの放射光を受光する第１の受光素子と、前記第１の発光素子と前記第１の受光素子との間に設けられ、第１の波長帯の光に対する透過率が前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の光に対する透過率よりも高い第１のフィルタと、第２の発光素子と、前記第２の発光素子からの放射光を受光する第２の受光素子と、前記第２の発光素子と前記第２の受光素子との間に設けられ、前記第２の波長帯の光に対する透過率が前記第１の波長帯の光に対する透過率よりも高い第２のフィルタと、を備えたことを特徴とする光結合装置が提供される。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の第１具体例にかかる光結合装置を表し、図１（ａ）は模式断面図、図１（ｂ）は模式平面図である。なお、図１（ａ）は、図１（ｂ）において、鎖線ＡＡに沿った断面を表す。本具体例は、２チャネルの場合である。半導体発光素子１２が、インナーリード１０の上にマウントされており、受光素子２２が形成された半導体基板２６がインナーリード２０にマウントされている。半導体発光素子１２は、波長λ１に強度のピークを有する光Ｌ１を放射する。

波長λ２に強度のピークを有する光Ｌ２を放射する半導体発光素子１４が、インナーリード１０上にマウントされ、半導体基板２６上には受光素子２４が形成されている。半導体発光素子１２及び受光素子２２は光素子ペアを構成する。半導体発光素子１４及び受光素子２４も隣接して光素子ペアを構成する。

これら光素子ペアは、電気的に絶縁された状態で独立に信号伝送を行うことができる。図１（ａ）に表したように、受光素子２２，２４を半導体基板２６上に集積して形成すると小型化が容易となり、２つの受光素子の特性を揃えることができるので、チャネル間のスキュー（伝播遅延時間差）を小さくできる。

図１（ｂ）に表した模式平面図において、アウターリード１０１及び１０２は内部で連結され、インナーリード１０を構成している。アウターリード１０３は半導体発光素子１２の他の電極に接続され、アウターリード１０４は半導体発光素子１４の他の電極に接続される。

また、アウターリード２０１及び２０２は内部で連結され、リード２０を構成している。アウターリード２０３は受光素子２２の電極の一つに接続され、アウターリード２０４は受光素子２４の電極の一つに接続される。

本具体例においては、半導体発光素子１２，１４はパッケージの一方の側に、受光素子２２，２４は他方の側に配列されるので、単方向に多チャネル信号を伝送するのに適した構造である。

半導体発光素子１２及び１４はそれぞれに異なる波長λ１，λ２の光を放射するが、受光素子２２，２４の受光面に光学フィルタとして受光側フィルタ３０、３２が載置されており、選択された波長の光のみが透過する。

図２は、光学フィルタの特性の一例を表すグラフ図である。縦軸は透過率（％）であり、横軸は波長（ｎｍ）である。実線Ａは、波長４５０ｎｍ近傍に透過率のピークを有する青色フィルタである。破線Ｂは、波長５３０ｎｍ近傍に透過率のピークを有する緑色フィルタである。点線Ｃは，波長６００ｎｍ〜７００ｎｍに透過率のピークを有する赤色フィルタである。

図３は、半導体発光素子の発光スペクトルを表すグラフ図であり、縦軸は相対発光強度、横軸は波長（ｎｍ）である。例えば、第１具体例において、５３０ｎｍ近傍にピーク波長を有する半導体発光素子１２からのスペクトルＧ１内の波長をλ１をとし、６３０ｎｍ近傍にピーク波長を有する半導体発光素子１４からのスペクトルＧ２内の波長λ２をとする。Ｇ１は、例えばＩｎＧａＡｌＮ系材料からなる発光層により得られ、Ｇ２はＩｎＧａＡｌＰ系材料からなる発光層より得られる。すなわち、半導体発光素子１２，１４はそれぞれに異なるバンドギャップを有する。

λ１の波長であるＬ１は、図２の光学フィルタＡを透過し、光学フィルタＣを透過しないので、受光側フィルタ３０は光学フィルタＡとする。また、λ２の波長であるＬ２は、光学フィルタＣを透過し、光学フィルタＡを透過しないので、受光側フィルタ３２は光学フィルタＣとする。

ここで、再び図１（ａ）に戻って説明を続ける。半導体発光素子１２からの波長λ１の光は広がって、受光素子２４へも向かう。しかし、受光側フィルタ３２の透過特性により受光素子２４には入射しない。一方、半導体発光素子１４からの波長λ２の光も広がって受光素子２２に向かうが受光側フィルタ３０の透過特性により受光素子２２には入射しない。

この結果、半導体発光素子１２と受光素子２２との光素子ペアで構成されるチャネルと、半導体発光素子１４と受光素子２４との光素子ペアで構成されるチャネルとの間でのクロストークを抑制でき、誤りの少ない信号伝送が可能となる。

このようにクロストークが抑制されるために、それぞれの光素子ペアの光路を近接させることができる。本具体例において、それぞれの光素子ペアの光路は、一体となった透光性樹脂４０により構成される。さらに、遮光性樹脂（遮光性の筐体）４２が、一体となった透光性樹脂４０、インナーリード１０，２０、受光側フィルタ３０，３２を包むように設けられ、外部光を遮断する。

図４は、比較例にかかる光結合装置の模式断面図である。本比較例においては、半導体発光素子１２と１４は、略同一の波長帯の光を放出する。しかしこの場合、クロストークが発生しやすくなる。このため、半導体発光素子１２からの光Ｌ５が受光素子２４に入射しないように、また、半導体発光素子１４からの光Ｌ６が受光素子２２に入射しないように、透光性樹脂４０から構成される２つの光路は遮光性樹脂４２により分離されている。クロストークを抑制するために、２つの光路間には間隔Ｗが設けられる。そのために、パッケージの幅Ｄ３は、第１具体例の幅Ｄ１より長くなり、小型化が困難となる。

図５は、本発明の第２具体例にかかる光結合装置の模式断面図である。本具体例も２チャネルとする。なお、図１と同様の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。本具体例において、半導体発光素子１２及び１４から放射される光のスペクトルは、略同一である。このようにすれば、例えば、同一半導体基板に集積され、同一積層構造からなる２つの発光層を有する半導体発光素子とすれば小型化が容易となる。

この場合、半導体発光素子１２，１４の発光スペクトルは、いずれも例えば図３のＧ３とする。Ｇ３に表す発光スペクトル内で、波長λ３である光Ｌ３および波長λ４である光Ｌ４を用いる。２つの波長間隔は、光学フィルタの減衰特性により選択可能な程度に離さなければならない。Ｇ３のスペクトル半値幅をＧ１及びＧ２のスペクトル半値幅より大きくすることでこの波長選択を容易にできる。ここで半値幅とは、図３において破線で表す相対発光強度がピークの０．５倍となるスペクトル幅である。

本具体例においては、相対発光強度が０．５となる波長範囲を、例えば８２０〜８５０ｎｍとする。このような半導体発光素子１２，１４は、例えばＡｌＧａＡｓからなる発光層により得ることができる。８２０〜８３０ｎｍ範囲の波長λ３を透過させる発光側フィルタ３１を半導体発光素子１２に、受光側フィルタ３０を受光素子２２にそれぞれ載置する。また、８４０〜８５０ｎｍ範囲の波長λ４を透過させる発光側フィルタ３３を半導体発光素子１４に、受光側フィルタ３２を受光素子２４にそれぞれ載置する。

半導体発光素子１２，１４の発光側フィルタ３１，３３がなくとも受光側フィルタ３０，３２による波長選択は可能である。しかし、λ３及びλ４は、１０〜３０ｎｍと近接しており、隣接する受光素子２２，２４に漏れる光を低減するために、受光素子側と同一の透過特性を有する光学フィルタを半導体発光素子の放射面にそれぞれ載置するとさらに好ましい。

チャネル数が３以上の場合、隣接する光素子ペアには最も波長間隔が広くなるような配置とするとクロストークをより低減できる。本具体例においても外部磁界に起因したノイズによる誤動作が抑制され、小型化が可能な多チャネル光結合装置が可能となる。

以上は、パッケージの一方の側には半導体発光素子に接続されるリード、他方の側には受光素子に接続されるリードが配置され、信号伝送方向が単方向である多チャネル光結合装置の場合であった。しかし、本発明の実施の形態によれば、双方向多チャネル光結合装置とすることも可能である。

図６は、本発明の第３具体例にかかる光結合装置の模式断面図である。本具体例は双方向２チャネル光結合装置である。なお、図１と同様の構成要素には同一番号を付して詳細な説明を省略する。パッケージの一方の側には半導体発光素子１２がインナーリード３０３にマウントされ、受光素子２４がインナーリード３０５にマウントされる。半導体発光素子１２上の電極（図示せず）はワイヤボンディング３１０によりインナーリード３０４と接続され、受光素子２４上の電極（図示せず）はワイヤボンディング３１１によりインナーリード３０４と接続される。

他方の側には半導体発光素子１２からの放射光Ｌ７を対向して受光する受光素子２２がインナーリード３００にマウントされ、受光素子２４へ向かってＬ８を放射する半導体発光素子１４がインナーリード３０２にマウントされる。受光素子２２はワイヤボンディング３２０によりインナーリード３０１に接続され、半導体発光素子１４はボンディングワイヤ３２１によりインナーリード３０１に接続される。

２つの光素子ペアは、透光性樹脂４０を介して光結合され、透光性樹脂４０の外側は遮光性樹脂４２により覆われ、外部光を遮蔽している。ここで、半導体発光素子１２からのスペクトルＧ１内の波長λ１を、例えば５３０ｎｍ近傍とし、半導体発光素子１４からのスペクトルＧ２内の波長λ２を、例えば６３０ｎｍ近傍とする。

λ１の波長であるＬ７は、図２の光学フィルタＡを透過し、光学フィルタＣを透過しないので、受光側フィルタ３０はフィルタＡとする。また、λ２の波長であるＬ８は、光学フィルタＣを透過し、Ａを透過しないので、受光側フィルタ３２はフィルタＣとする。

この様にして、２つの光素子ペアにおいて放射光Ｌ７，Ｌ８は逆方向となっているので双方向信号伝送が容易となる。本具体例により、半導体発光素子１２及び受光素子２４は隣接しているので半導体発光素子１２からの放射光が受光素子２４へ入射することを抑制でき、クロストークを低減できる。また、外部磁界に起因したノイズによる誤動作が抑制され、小型化が可能な双方向光結合装置が可能となる。

以上、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれら具体例に限定されない。例えば、２チャネルに限定されず３チャネル以上であっても良いことは勿論である。また、光結合装置を構成する半導体発光素子、受光素子、リード、透光性樹脂、遮光性樹脂、光学フィルタなどに関し、当業者が設計変更を行ったものであっても本発明の主旨を逸脱しない限り本発明の範囲に包含される。

本発明の第１具体例にかかる光結合装置を表す模式図である。光学フィルタの特性を表すグラフ図である。半導体発光素子の発光スペクトルを表すグラフ図である。比較例にかかる光結合装置の模式断面図である。本発明の第２具体例にかかる光結合装置を表す模式断面図である。本発明の第３具体例にかかる光結合装置を表す模式断面図である。

符号の説明

１０インナーリード、１２半導体発光素子，１４半導体発光素子、２０インナーリード、２２受光素子、２４受光素子、３０受光側フィルタ、３１発光側フィルタ、３２受光側フィルタ、３３発光側フィルタ

Claims

第１の発光素子と、
前記第１の発光素子からの放射光を受光する第１の受光素子と、
前記第１の発光素子と前記第１の受光素子との間に設けられ、第１の波長帯の光に対する透過率が前記第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の光に対する透過率よりも高い第１のフィルタと、
第２の発光素子と、
前記第２の発光素子からの放射光を受光する第２の受光素子と、
前記第２の発光素子と前記第２の受光素子との間に設けられ、前記第２の波長帯の光に対する透過率が前記第１の波長帯の光に対する透過率よりも高い第２のフィルタと、
を備えたことを特徴とする光結合装置。
前記第１の発光素子から放射される光のスペクトルと前記第２の発光素子から放射される光のスペクトルとは、異なり、
前記第１の発光素子から放射される光の強度のピークは、前記第１の波長帯にあり、
前記第２の発光素子から放射される光の強度のピークは、前記第２の波長帯にあることを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
前記第１の発光素子から放射される光のスペクトルと前記第２の発光素子から放射される光のスペクトルとは、略同一であり、
前記第１の発光素子と前記第１のフィルタとの間に設けられ、前記第１の波長帯の光に対する透過率が前記第２の波長帯の光に対する透過率よりも高い第３のフィルタと、
前記第２の発光素子と前記第２のフィルタとの間に設けられ、前記第２の波長帯の光に対する透過率が前記第１の波長帯の光に対する透過率よりも高い第４のフィルタと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１記載の光結合装置。
前記第１の発光素子からの前記放射光と前記第２の発光素子からの前記放射光とは、互いに逆方向に進むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光結合装置。
遮光性の筐体をさらに備え、
前記第１の発光素子から前記第１の受光素子に至る第１の光路と、前記第２の発光素子から前記第２の受光素子に至る第２の光路と、は前記遮光性の筐体により包囲される共通の空間内に収容されたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の光結合装置。