JPH08148703A - Photodetector - Google Patents
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- JPH08148703A JPH08148703A JP6287964A JP28796494A JPH08148703A JP H08148703 A JPH08148703 A JP H08148703A JP 6287964 A JP6287964 A JP 6287964A JP 28796494 A JP28796494 A JP 28796494A JP H08148703 A JPH08148703 A JP H08148703A
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Landscapes
- Optical Couplings Of Light Guides (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、空間伝播光通信システ
ムの受信装置に最適な光検出装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a photo-detecting device most suitable for a receiving device of a spatial propagation optical communication system.
【0002】[0002]
【従来の技術】近年、オプトエレクトロニクスの技術を
応用した光通信が注目されている。このうち、光ファイ
バを用いた光通信システムは、大容量の通信が可能であ
ることから既に実用化され、次世代の有線伝送路として
期待されている。この光通信システムの関連技術は、特
開昭59−229509号公報、特開昭61−1657
08号公報などに掲載されている。これに対して、光を
空間へ放射し、その送受信によって情報を伝達する空間
光通信システムについても鋭意研究が為されている。こ
の空間光通信システムは、図6に示すように、一対の送
受信器100,100から構成されている。そして、い
ずれの送受信器100にも、レーザダイオードなど指向
性のある光源101と、シリコンフォトダイオードなど
の受光素子102と、入射光を受光素子102の受光面
102a上に集光するレンズ103と、光源101から
の光ビームをレンズ103方向に反射させるハーフミラ
ー104とが設けられている。2. Description of the Related Art In recent years, optical communication using the optoelectronic technology has been receiving attention. Among them, the optical communication system using the optical fiber has already been put to practical use because it is capable of large-capacity communication, and is expected as a next-generation wired transmission line. Related arts of this optical communication system are disclosed in JP-A-59-229509 and JP-A-61-1657.
08, etc. On the other hand, a spatial optical communication system that radiates light into the space and transmits and receives information to and from the space is also being studied intensively. This spatial optical communication system is composed of a pair of transceivers 100, 100 as shown in FIG. In each of the transceivers 100, a directional light source 101 such as a laser diode, a light receiving element 102 such as a silicon photodiode, a lens 103 that collects incident light on a light receiving surface 102a of the light receiving element 102, A half mirror 104 that reflects the light beam from the light source 101 toward the lens 103 is provided.
【0003】[0003]
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の空間
光通信システムは、光源101と受光素子102の間隔
が長くなると、大気の散乱、雨、雪、霧、および密度の
ムラ等の影響を受け易く、このような影響を受けると受
光素子102に到達する光束は減衰、拡散、乱れ、踊り
等により乱れる。そのため、少しでも多くの光束を捉え
るためにレンズ103の直径を出来るだけ大きくする必
要がある。By the way, in the conventional spatial optical communication system, when the distance between the light source 101 and the light receiving element 102 becomes long, it is affected by scattering of the atmosphere, rain, snow, fog, and uneven density. It is easy to receive such influence, and the light flux reaching the light receiving element 102 is disturbed by attenuation, diffusion, turbulence, dance, and the like. Therefore, it is necessary to make the diameter of the lens 103 as large as possible in order to capture as much light flux as possible.
【0004】しかしながら、レンズ103の直径を大き
くすると、レンズ103の焦点距離が長くなり、これに
伴って光スポットの大きさ及びその踊り(スポットダン
シング量)が大きくなる。さらに、光スポットサイズと
スポットダンシング量が大きくなると、光束を確実に捕
らえるために受光素子102の受光部102aの面積M
も大きくする必要が生じる。However, if the diameter of the lens 103 is increased, the focal length of the lens 103 becomes longer, and the size of the light spot and its dance (spot dancing amount) increase accordingly. Further, when the light spot size and the spot dancing amount become large, the area M of the light receiving portion 102a of the light receiving element 102 in order to reliably capture the light flux.
Will also need to be increased.
【0005】ところで、受光部102aの面積Mは、小
さいほうが高速応答に適しており、また、S/Nも良い
ことは周知の事実である。しかし、従来の技術では、上
述のように受光部102aの面積Mを小さくすることが
できず、このために、応答周波数が低くなりS/Nを一
定のレベル以上に保持することができなかった。したが
って、従来の空間光通信システムは、S/Nを一定のレ
ベル以上に保持できないため、誤り率が高くなり、遠距
離の通信には不向きであった。By the way, it is a well-known fact that the smaller the area M of the light receiving portion 102a, the more suitable for high-speed response and the better S / N. However, in the conventional technique, the area M of the light receiving unit 102a cannot be reduced as described above, and therefore the response frequency becomes low and the S / N cannot be maintained above a certain level. . Therefore, the conventional spatial optical communication system cannot maintain the S / N above a certain level, resulting in a high error rate, which is unsuitable for long-distance communication.
【0006】この様な場合には、図7に示すように、レ
ンズ103によってできた光スポット像をリレーレンズ
105(105a〜105d)を使って縮小し、受光素
子102に導くのが常套手段である。ここで、リレーレ
ンズ105に入射する光ビームと光軸とのなす角をαと
すると共に、出射する光ビームと光軸とのなす角α′と
し、さらに像倍率をMとおくと、これらは、 M=|sinα/sinα′| の関係がある。In such a case, as shown in FIG. 7, it is a conventional means to reduce the light spot image formed by the lens 103 by using the relay lens 105 (105a to 105d) and guide it to the light receiving element 102. is there. Here, when the angle formed by the light beam incident on the relay lens 105 and the optical axis is α, and the angle formed by the emitted light beam and the optical axis is α ′, and the image magnification is M, these are , M = | sin α / sin α ′ |
【0007】また、レンズ103によってできた光スポ
ット像の直径をφ(スポットダンシング量も含む)と
し、リレーレンズ105によって縮小された光スポット
像の直径をφ′とすると、 M=φ′/φ である。If the diameter of the light spot image formed by the lens 103 is φ (including the spot dancing amount) and the diameter of the light spot image reduced by the relay lens 105 is φ ′, then M = φ ′ / φ Is.
【0008】ここで|sinα′|≦1であるから、M
≧|sinα|となり、像倍率Mは|sinα|より小
さくならない。従って、αがπ/2に近い場合には像倍
率Mも大きくなり、φ′をあまり小さくできないという
問題があった。Since | sinα '| ≦ 1, where M
≧ | sin α |, and the image magnification M does not become smaller than | sin α |. Therefore, when α is close to π / 2, there is a problem that the image magnification M also becomes large and φ ′ cannot be made so small.
【0009】本発明は、このような問題を解決し、高速
応答が可能で、S/Nの良い光検出装置を提供すること
を目的とする。It is an object of the present invention to solve the above problems and provide a photodetector capable of high-speed response and having a good S / N.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の第1の光検出装置は、一端の径が他端の径
より太く一端から他端に向けて断面積が滑らかに減少す
る棒形状のコア層とこのコア層の側面を覆いコア層の屈
折率nより屈折率の低いクラッド層とからなる導波管
と、コア層の径が細い側の導波管の端面と受光部を対向
して配置された受光素子と、導波管と受光素子との間に
形成され、導波管と受光素子とを接着する接着剤層とを
備えている。そして、コア層の屈折率nと接着剤層の屈
折率n′と受光素子の受光部の屈折率n″との関係が、
n≦n′≦n″であることを特徴とする。In order to solve the above-mentioned problems, the first photodetector of the present invention is such that the diameter of one end is larger than the diameter of the other end and the cross-sectional area is smooth from one end to the other end. A waveguide comprising a decreasing rod-shaped core layer and a clad layer that covers the side surface of the core layer and has a refractive index lower than the refractive index n of the core layer, and an end face of the waveguide on the side where the diameter of the core layer is narrow. The light-receiving unit is provided with the light-receiving unit facing each other, and an adhesive layer formed between the waveguide and the light-receiving element to bond the waveguide and the light-receiving element. The relationship between the refractive index n of the core layer, the refractive index n ′ of the adhesive layer, and the refractive index n ″ of the light receiving portion of the light receiving element is
It is characterized in that n ≦ n ′ ≦ n ″.
【0011】ここで、クラッド層の外周面に反射膜が形
成されていてもよく、導波管の断面形状が楕円形または
多角形であってもよい。Here, a reflection film may be formed on the outer peripheral surface of the clad layer, and the cross-sectional shape of the waveguide may be elliptical or polygonal.
【0012】また、本発明の第2の光検出装置は、一端
の径が他端の径より太く一端から他端に向けて断面積が
滑らかに減少する棒形状のコア層とこのコア層の径が細
い側の側面を覆う反射膜とこの反射膜に覆われていない
コア層の側面を覆いコア層の屈折率nより屈折率の低い
クラッド層とからなる導波管と、コア層の径が細い側の
導波管の端面と受光部を対向して配置された受光素子
と、導波管と受光素子との間に形成され、導波管と受光
素子とを接着する接着剤層とを備えている。In the second photodetector of the present invention, the diameter of one end is larger than the diameter of the other end, and the cross-sectional area smoothly decreases from one end to the other end. A waveguide including a reflection film that covers the side surface on the smaller diameter side and a cladding layer that covers the side surface of the core layer that is not covered by this reflection film and has a refractive index lower than the refractive index n of the core layer, and the diameter of the core layer. A light-receiving element in which the end face of the waveguide on the thin side and the light-receiving portion are arranged so as to face each other; and an adhesive layer formed between the waveguide and the light-receiving element to bond the waveguide and the light-receiving element. Is equipped with.
【0013】ここで、コア層の屈折率nと接着剤層の屈
折率n′と受光素子の受光部の屈折率n″との関係が、
n≦n′≦n″であってもよく、導波管の断面形状が楕
円形または多角形であってもよい。Here, the relationship between the refractive index n of the core layer, the refractive index n'of the adhesive layer, and the refractive index n "of the light receiving portion of the light receiving element is as follows.
It may be n ≦ n ′ ≦ n ″, and the cross-sectional shape of the waveguide may be elliptical or polygonal.
【0014】[0014]
【作用】本発明の第1の光検出装置によれば、導波管の
コア層の径が太い側の端面から光が入射すると、この光
はコア層とクラッド層の境界面で全反射しつつ、コア層
の径が細い側の導波管の端面に向かって進行する。この
進行によって光は集束され、集束された光が導波管のコ
ア層の径が細い側の端面から出射する。出射光は接着剤
層を透過して受光素子の受光部に入射し、受光素子から
は入射光の受光強度に応じた信号が出力される。According to the first photodetector of the present invention, when light enters from the end surface of the waveguide where the diameter of the core layer is large, the light is totally reflected at the boundary surface between the core layer and the clad layer. Meanwhile, the core layer advances toward the end face of the waveguide where the diameter of the core layer is smaller. Due to this progress, the light is focused, and the focused light is emitted from the end surface of the waveguide where the core layer has a small diameter. The emitted light passes through the adhesive layer and enters the light receiving portion of the light receiving element, and the light receiving element outputs a signal corresponding to the received light intensity of the incident light.
【0015】導波管のコア層の屈折率をnと、接着剤層
の屈折率をn′とし、さらに、コア層から接着剤層への
光の入射角をθと、接着剤層への光の入射によって屈折
した屈折角をθ′とすると、 nsinθ=n′sinθ′ の関係を有する。ここで、n<n′なので、常にθ′<
θが成立する。したがって、コア層内を接着剤層に向か
う光は、コア層と接着剤層との境界面で全反射すること
なく、接着剤層に侵入する。The refractive index of the core layer of the waveguide is n, the refractive index of the adhesive layer is n ', and the incident angle of light from the core layer to the adhesive layer is θ, and the adhesive layer to the adhesive layer is Letting θ ′ be the refraction angle refracted by the incidence of light, there is a relationship of nsin θ = n ′ sin θ ′. Here, since n <n ', θ'<
θ holds. Therefore, the light traveling toward the adhesive layer in the core layer enters the adhesive layer without being totally reflected at the boundary surface between the core layer and the adhesive layer.
【0016】同様に、受光素子の受光部の屈折率をn″
と、接着剤層から受光素子の受光部への光の入射によっ
て屈折した屈折角をθ″とすると、 n′sinθ′=n″sinθ″ の関係を有する。ここで、n′<n″なので、常にθ″
<θ′が成立する。したがって、接着剤層内を受光素子
の受光部に向かう光は、接着剤層と受光素子の受光部と
の境界面で全反射することなく、受光素子の受光部に侵
入する。Similarly, the refractive index of the light receiving portion of the light receiving element is n ″.
And θ is the refraction angle refracted by the incidence of light from the adhesive layer to the light receiving portion of the light receiving element, there is a relationship of n'sin θ '= n "sin θ". Here, since n'<n" , Always θ ″
<Θ'is established. Therefore, the light traveling in the adhesive layer toward the light receiving portion of the light receiving element enters the light receiving portion of the light receiving element without being totally reflected at the boundary surface between the adhesive layer and the light receiving portion of the light receiving element.
【0017】また、本発明の第2の光検出装置によれ
ば、第1の光検出装置と同様、導波管のコア層の径が太
い側の端面から入射された光はコア層内の進行によって
集束され、コア層の径が細い側の端面から出射する。特
に、コア層の径が細い側の側面は反射膜で覆われている
ので、径が細い側のコア層内を進行する光は反射膜によ
って確実に全反射し、ほとんど光損失なしに集束され
る。Further, according to the second photodetector of the present invention, similarly to the first photodetector, the light incident from the end face of the waveguide on the side where the diameter of the core layer is thicker is in the core layer. It is converged as it travels, and is emitted from the end face on the side where the diameter of the core layer is narrow. In particular, since the side surface of the core layer on the smaller diameter side is covered with the reflection film, the light traveling inside the core layer on the smaller diameter side is totally reflected by the reflection film and is converged with almost no light loss. It
【0018】[0018]
(実施例1)以下、本発明の実施例について添付図面を
参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施例に係
る光検出装置1の構成を示す断面図である。同図より、
本実施例の光検出装置1は、基体10の上面に受光部2
0aを上にして受光素子20が配設されている。受光素
子20の受光部20a上方には、面積が小さい方の端面
30aを対向させた錐台形状のライトパイプ30が受光
部20aと僅かに間隔を空けて配設されている。受光素
子20の受光部20aとライトパイプ30の端面30a
との間には接着剤が充填され、接着剤層40が形成され
ている。ライトパイプ30の側壁には円筒形状の支持具
50が取り付けられ、支持具50は基体10上に固定さ
れている。この支持具50の支持によって、ライトパイ
プ30は中心軸Aと受光素子20の上面がほぼ垂直にな
るように、受光素子20上に固定される。(Embodiment 1) An embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of the photodetector 1 according to the first embodiment of the present invention. From the figure,
The photodetector 1 according to the present embodiment has a light receiving portion 2 on the upper surface of the base 10.
The light receiving element 20 is arranged with 0a facing upward. Above the light receiving portion 20a of the light receiving element 20, a frustum-shaped light pipe 30 with the end surface 30a having the smaller area facing is disposed at a slight distance from the light receiving portion 20a. Light receiving portion 20a of light receiving element 20 and end face 30a of light pipe 30
An adhesive agent is filled in the space between and to form an adhesive agent layer 40. A cylindrical support tool 50 is attached to the side wall of the light pipe 30, and the support tool 50 is fixed on the base body 10. By the support of the support tool 50, the light pipe 30 is fixed on the light receiving element 20 so that the central axis A and the upper surface of the light receiving element 20 are substantially perpendicular to each other.
【0019】ライトパイプ30は、円錐台形状に加工さ
れたコア層31と、コア層31の側面を覆う層厚がほぼ
均一なクラッド層32とから構成されている。コア層3
1およびクラッド層32は、使用する信号光波長域で透
明になる誘電体又は半導体の単結晶、多結晶、又は固溶
体から形成されている。そして、コア層31の屈折率n
はクラッド層32の屈折率n″′に比べて高く、このた
め、コア層31内を進行する光はコア層31とクラッド
層32の境界面で全反射する。The light pipe 30 is composed of a core layer 31 processed into a truncated cone shape and a cladding layer 32 covering the side surface of the core layer 31 and having a substantially uniform layer thickness. Core layer 3
1 and the clad layer 32 are formed of a single crystal, polycrystal, or solid solution of a dielectric or semiconductor that becomes transparent in the signal light wavelength range to be used. Then, the refractive index n of the core layer 31
Is higher than the refractive index n ″ of the cladding layer 32, and therefore the light traveling in the core layer 31 is totally reflected at the boundary surface between the core layer 31 and the cladding layer 32.
【0020】ここで、ライトパイプ30の面積が大きい
方の端面30bでのコア層31の直径をD、端面30a
でのコア層31の直径をD′とすると、ライトパイプ3
0の像縮小倍率(ライトパイプ30による光の集光率)
Mは、 M=D′/D … となる。また、接着剤層40の屈折率をn′、受光素子
20の受光部20aの屈折率をn″とすると、コア層3
1の屈折率がn、クラッド層32の屈折率がn″′なの
で、 n″′<n<n′<n″ … の関係が成り立つ。Here, the diameter of the core layer 31 at the end surface 30b having the larger area of the light pipe 30 is D, and the end surface 30a.
Let D ′ be the diameter of the core layer 31 at
Image reduction ratio of 0 (concentration of light by the light pipe 30)
M becomes M = D '/ D ... Further, when the refractive index of the adhesive layer 40 is n ′ and the refractive index of the light receiving portion 20a of the light receiving element 20 is n ″, the core layer 3
Since the refractive index of 1 is n and the refractive index of the cladding layer 32 is n ″ ″, the relationship of n ″ ″ <n <n ′ <n ″ ...
【0021】また、クラッド層32の厚さtは、全反射
の際のエバネッセント波が外部に洩れないようにするた
め、使用波長の2倍以上とする必要がある(長尾和美著
“光学ファイバー”36頁参照)。The thickness t of the cladding layer 32 must be at least twice the wavelength used in order to prevent evanescent waves from leaking out during total reflection (Kazumi Nagao "Optical Fiber"). (See page 36).
【0022】ライトパイプ30の端面30bのコア層3
1に中心軸Aとの角度θで入射した光は、端面30bで
屈折して中心軸Aとの角度がθ′となる。ここで、θと
θ′の間には、 sinθ=n・sinθ′ … の関係がある。The core layer 3 on the end face 30b of the light pipe 30
The light which is incident on the light source 1 at an angle θ with respect to the central axis A is refracted at the end face 30b and has an angle θ ′ with the central axis A. Here, between θ and θ ′, there is a relationship of sin θ = n · sin θ ′ ...
【0023】中心軸Aとの角度θ′でコア層31に入射
した光は、コア層31とクラッド層32の境界面で全反
射を繰り返しながらコア層31内を進行し、端面30a
に中心軸Aとの角度θ″で到達する。ここで、ライトパ
イプ30の長さLに比べてコア層31の直径Dが十分に
小さい場合には、角度θ′と角度θ″の間に、 D′・sinθ″=D・sinθ′ … の関係が成り立つ。したがって、式と式より、 M=sinθ′/sinθ″ … が導かれる。Light incident on the core layer 31 at an angle θ'with respect to the central axis A travels in the core layer 31 while repeating total reflection at the boundary surface between the core layer 31 and the cladding layer 32, and the end face 30a.
At an angle θ ″ with the central axis A. Here, when the diameter D of the core layer 31 is sufficiently smaller than the length L of the light pipe 30, it is between the angle θ ′ and the angle θ ″. , D ′ · sin θ ″ = D · sin θ ′ ... Therefore, M = sin θ ′ / sin θ ″ ...
【0024】さらに、コア層31内を進行する光は、ラ
イトパイプ30の端面30aで屈折して接着剤層40に
侵入する。このときの屈折角をθ″′とすると、θ″′
とθ″の間には、 n′・sinθ″′=n・sinθ″ … の関係がある。ここで、n<n′であるから、常に
θ″′<θ″が成立する。従って、ライトパイプ30の
端面30aに到達した全ての光は、端面30aで全反射
することなく、接着剤層40に侵入する。Further, the light traveling in the core layer 31 is refracted at the end face 30a of the light pipe 30 and enters the adhesive layer 40. If the refraction angle at this time is θ ″ ′, θ ″ ″
And θ ″ have a relationship of n ′ · sin θ ″ ″ = n · sin θ ″ ... Here, since n <n ′, θ ″ ″ <θ ″ is always established. All the light that has reached the end surface 30a of the pipe 30 enters the adhesive layer 40 without being totally reflected by the end surface 30a.
【0025】同様のことが、接着剤層40と受光素子2
0の接合面でも発生し、結局ライトパイプ30の端面3
0aに到達した全ての光は、受光素子20の受光部20
aに達することになる。The same applies to the adhesive layer 40 and the light receiving element 2.
It also occurs at the joint surface of 0, and eventually the end surface 3 of the light pipe 30
All the light reaching 0a is received by the light receiving section 20 of the light receiving element 20.
a will be reached.
【0026】なお、ライトパイプ30の端面30bへの
入射光の入射角θは、屈折角θ″が90°となる場合に
対応する角度以上では、上述の作用(端面30aに到達
した全ての光が受光部20aに到達する)が生じること
はない。つまり、屈折角θ″が90°となる場合に対応
する角度以上の入射角θで入射した光は、コア層31内
を進行する途中のクラッド層32との境界面での反射に
よって、中心軸Aに対して90°又はそれ以上の角度を
持つようになり、それ以降は端面30bの方向に戻り始
め、端面30aには到達し得ない。このため、屈折角
θ″が90°未満であることが、上述の作用を有効に生
じさせるための条件となる。ここで、式に式を代入
すると、 M=sinθ/(n・sinθ″) … が得られ、θ″<90°なので、 M>|sinθ/n| … が成り立つ。The incident angle θ of the incident light on the end face 30b of the light pipe 30 is equal to or more than the angle corresponding to the case where the refraction angle θ ″ is 90 °. Arrives at the light receiving portion 20a). That is, light incident at an incident angle θ which is equal to or larger than the angle corresponding to the case where the refraction angle θ ″ is 90 ° is in the process of traveling in the core layer 31. The reflection at the boundary surface with the clad layer 32 makes an angle of 90 ° or more with respect to the central axis A, and after that, it starts returning in the direction of the end face 30b and cannot reach the end face 30a. . Therefore, the condition that the refraction angle θ ″ is less than 90 ° is a condition for effectively producing the above-mentioned action. Here, when the formula is substituted into the formula, M = sin θ / (n · sin θ ″) Is obtained, and θ ″ <90 °, so that M> | sin θ / n |.
【0027】式より、ライトパイプ30の像縮小倍率
Mは、図7に示す従来技術のリレーレンズ105を使用
する場合に比べて、1/nだけ小さくできることが判
る。逆に、従来技術のリレーレンズ105を用いて形成
される光スポットと同一サイズの光スポットを、ライト
パイプ30を用いて形成する場合には、リレーレンズ1
05による場合に比べて、n2 倍の光量の光を受光素子
20に送り込むことができる。From the equation, it can be seen that the image reduction magnification M of the light pipe 30 can be reduced by 1 / n as compared with the case where the conventional relay lens 105 shown in FIG. 7 is used. On the contrary, when the light pipe 30 is used to form a light spot having the same size as the light spot formed using the conventional relay lens 105, the relay lens 1
As compared with the case of 05, the light amount of n 2 times can be sent to the light receiving element 20.
【0028】特に、シリコンやゲルマニウム等を用いた
半導体受光素子を適用する場合には、それらの屈折率
n″は3〜4と高いため、極めて効果が高い。この場
合、ライトパイプ30の材質としては、屈折率の高いサ
ファイア、ZnS、ZnSeなどが適している。このよ
うに、光スポット像が小さくなれば、受光素子20の受
光部20aの面積も小さくてよく、応答周波数が上が
り、S/Nも向上する。In particular, when a semiconductor light receiving element made of silicon, germanium, or the like is applied, the refractive index n ″ thereof is as high as 3 to 4, so that the effect is extremely high. In this case, as the material of the light pipe 30, Is preferably sapphire, ZnS, ZnSe having a high refractive index, etc. Thus, if the light spot image becomes small, the area of the light receiving portion 20a of the light receiving element 20 may be small, the response frequency increases, and S / N is also improved.
【0029】次に、本実施例の光検出装置1を空間光通
信システムに適用した例を図2に示す。同図に示すよう
に、この空間光通信システムは、一対の送受信器60,
60から構成されている。そして、いずれの送受信器6
0にも、レーザダイオードなど指向性のある光源61
と、光源61から放射された光を反射させると共に入射
光を透過させるハーフミラー62とが設けられている。
さらに、ハーフミラー62で反射した光を平行光線にし
て外部に出射すると共に外部からの入射光を集光させる
レンズ63と、レンズ63による入射光の集光位置に配
置され入射光を受光する光検出装置1とが設けられてい
る。Next, FIG. 2 shows an example in which the photodetector 1 of this embodiment is applied to a spatial optical communication system. As shown in the figure, this spatial optical communication system includes a pair of transceivers 60,
It consists of 60. And which transceiver 6
0, a directional light source 61 such as a laser diode
And a half mirror 62 that reflects the light emitted from the light source 61 and transmits the incident light.
Further, the light reflected by the half mirror 62 is collimated and emitted to the outside, and a lens 63 for condensing the incident light from the outside, and light for receiving the incident light arranged at the condensing position of the incident light by the lens 63. The detection device 1 is provided.
【0030】この空間光通信システムは以下のように動
作する。まず、一方の送受信器60の光源61から放射
された光は、ハーフミラー62で反射し、レンズ63に
よって平行光線となり、他方の送受信器60に向けて出
射する。出射光は、空間を伝播した後、他方の送受信器
60のレンズ63によって集光され、ハーフミラー62
を透過して、光検出装置1のライトパイプ30の端面3
0bに直径φの光スポットを形成する(直径φには、乱
れ、スポットダンシング量を含む)。ライトパイプ30
のコア層31の端面30bでの直径は、直径φと等しい
か、やや大きくなるように予め調整されているものとす
る。この調整によって、全ての入射光は確実にライトパ
イプ30のコア層31内に侵入する。このように、コア
層31内に侵入した光はほとんど光損失なしに集束さ
れ、受光素子20に到達する。よって、他方の送受信器
60の受光素子20では、一方の送受信器60から空間
を伝播して送られてきた光信号を、ほとんど光損失なし
に受信することができる。This spatial optical communication system operates as follows. First, the light emitted from the light source 61 of one transceiver 60 is reflected by the half mirror 62, becomes a parallel light beam by the lens 63, and is emitted toward the other transceiver 60. The emitted light propagates through the space and is then condensed by the lens 63 of the other transmitter / receiver 60 to form the half mirror 62.
The end surface 3 of the light pipe 30 of the photodetector 1
A light spot having a diameter φ is formed at 0b (the diameter φ includes turbulence and spot dancing amount). Light pipe 30
The diameter of the end surface 30b of the core layer 31 is adjusted in advance so as to be equal to or slightly larger than the diameter φ. By this adjustment, all the incident light surely enters the core layer 31 of the light pipe 30. In this way, the light that has entered the core layer 31 is focused with almost no light loss and reaches the light receiving element 20. Therefore, the light receiving element 20 of the other transmitter / receiver 60 can receive the optical signal propagated through the space from the one transmitter / receiver 60 and transmitted with almost no optical loss.
【0031】(実施例2)次に、本発明の第2の実施例
に係る光検出装置2について、図3の断面図を用いて説
明する。この第2の実施例が図1に示す第1の実施例と
異なるのは、ライトパイプ30のコア層31の側面をク
ラッド層32及び反射膜33で覆われている点だけであ
り、その他の構成は第1の実施例と同一である。なお、
第1の実施例と同一又は同等な構成部分については同一
符号を付し、その説明は省略する。(Embodiment 2) Next, a photodetector 2 according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to the sectional view of FIG. The second embodiment is different from the first embodiment shown in FIG. 1 only in that the side surface of the core layer 31 of the light pipe 30 is covered with the cladding layer 32 and the reflection film 33. The configuration is the same as that of the first embodiment. In addition,
The same or equivalent components as those in the first embodiment are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
【0032】図3より、本実施例の光検出装置2は、基
体10の上面に配置された受光素子20の受光部20a
の上面に、接着剤層40を介して、ライトパイプ30が
載置されている。ライトパイプ30は、円錐台形状に加
工されたコア層31と、コア層31の直径が太い方の側
面を覆う層厚がほぼ均一なクラッド層32と、コア層3
1の直径が細い方の側面を覆う膜厚がほぼ均一な反射膜
33とから構成されている。端面30bのコア層31に
入射した光は、コア層31とクラッド層32の境界面で
全反射して端面30aに向けて進行するが、コア層31
と反射膜33の境界面でも同様に全反射する。このた
め、コア層31内を進行する光は確実に端面30aに到
達する。As shown in FIG. 3, the photodetector 2 of this embodiment has a light receiving portion 20a of the light receiving element 20 arranged on the upper surface of the substrate 10.
The light pipe 30 is placed on the upper surface of the via the adhesive layer 40. The light pipe 30 includes a core layer 31 processed into a truncated cone shape, a clad layer 32 having a substantially uniform layer thickness covering the side surface of the core layer 31 having a larger diameter, and the core layer 3
The reflective film 33 has a substantially uniform film thickness and covers the side surface of the thin film 1 having a small diameter. The light incident on the core layer 31 of the end surface 30b is totally reflected at the boundary surface between the core layer 31 and the cladding layer 32 and travels toward the end surface 30a.
Similarly, total reflection is also performed at the boundary surface between the reflection film 33 and the reflection film 33. Therefore, the light traveling in the core layer 31 surely reaches the end surface 30a.
【0033】コア層31内を進行する光が境界面で反射
するときの反射角度は、端面30aに近付くにつれて徐
々に大きくなってくるが、端面30a近傍には反射膜3
3が形成されているので、確実に全反射させることがで
きる。このため、端面30bのコア層31に入射した光
のほとんどは、受光素子20の受光部20aで受光され
る。The reflection angle when the light traveling in the core layer 31 is reflected by the boundary surface gradually increases as it approaches the end surface 30a, but the reflection film 3 is formed near the end surface 30a.
Since 3 is formed, total reflection can be reliably performed. Therefore, most of the light incident on the core layer 31 of the end face 30b is received by the light receiving section 20a of the light receiving element 20.
【0034】なお、反射膜33としては、入射光の使用
波長に応じて、各種金属膜、誘電体多層膜、或は金属膜
と誘電体多層膜との組み合わせ膜などが用いられ、真空
蒸着やメッキなどの手法でコア層31の側面に形成され
る。As the reflection film 33, various metal films, dielectric multi-layered films, or combination films of metal films and dielectric multi-layered films are used depending on the wavelength of incident light used. It is formed on the side surface of the core layer 31 by a technique such as plating.
【0035】(実施例3)次に、本発明の第3の実施例
に係る光検出装置3について、図4の部分断面図を用い
て説明する。この第3の実施例が図1に示す第1の実施
例と異なるのは、クラッド層32の外周面に反射膜34
が形成されている点だけであり、その他の構成は第1の
実施例と同一である。なお、第1の実施例と同一又は同
等な構成部分については同一符号を付し、その説明は省
略する。(Embodiment 3) Next, a photodetector 3 according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to the partial sectional view of FIG. The third embodiment differs from the first embodiment shown in FIG. 1 in that the reflective film 34 is formed on the outer peripheral surface of the cladding layer 32.
Is the same as that of the first embodiment. The same or equivalent components as those of the first embodiment are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
【0036】図4において、コア層31内を進行する光
束が、クラッド層32との境界面に到達した場合、境界
面の接平面の法線kと光束とのなす角iが式の関係に
なると、全反射条件が満たされなくなる。In FIG. 4, when the light flux traveling in the core layer 31 reaches the boundary surface with the cladding layer 32, the angle i formed by the normal line k of the tangent plane of the boundary surface and the light flux has an equational relationship. Then, the total reflection condition is not satisfied.
【0037】i<arcsin(n″′/n) … この場合、一部の光束がクラッド層32の内部に漏れ出
し、更にクラッド層32の外周面からライトパイプ30
の外に出てしまうため、集光効率が低下する。I <arcsin (n ″ ′ / n) ... In this case, a part of the light flux leaks into the inside of the cladding layer 32, and further the light pipe 30 is emitted from the outer peripheral surface of the cladding layer 32.
Since it goes out of the space, the light collection efficiency decreases.
【0038】この集光効率の低下を改善するためには、
コア層31の屈折率nを大きくすると共にクラッド層3
2の屈折率n″′を小さくして、(n″′/n)の値を
小さくすればよい。(n″′/n)の値が小さければ、
広い範囲の入射角iで全反射条件が満たされるからであ
る。しかしながら、コア層31を構成する物質の物理的
性質によって屈折率nは制約を受けるため、屈折率nを
大きくするには限界がある。同様の理由により、クラッ
ド層32の屈折率n″′を小さくするのも限界がある。
このため、このままでは、(n″′/n)の値をあまり
小さくすることはできず、コア層31とクラッド層32
の境界面を越えて、クラッド層32に漏れる光束を完全
になくすことは困難である。In order to improve this decrease in light collection efficiency,
In addition to increasing the refractive index n of the core layer 31, the cladding layer 3
The value of (n ″ ″ / n) may be reduced by decreasing the refractive index n ″ ″ of 2. If the value of (n ″ ′ / n) is small,
This is because the total reflection condition is satisfied with the incident angle i in a wide range. However, since the refractive index n is restricted by the physical properties of the material forming the core layer 31, there is a limit in increasing the refractive index n. For the same reason, there is a limit to reducing the refractive index n ″ of the cladding layer 32.
For this reason, the value of (n ″ ″ / n) cannot be made so small as it is, and the core layer 31 and the cladding layer 32 cannot be made.
It is difficult to completely eliminate the light flux that leaks into the cladding layer 32 beyond the boundary surface of.
【0039】そこで本実施例では、クラッド層32の外
周面を反射率の高い反射膜34で覆うことにより、クラ
ッド層32内に漏れた光束も、この反射膜34で反射
し、再びコア層31内に戻される。よって、光束はライ
トパイプ30から外部に漏れることなく、極めて高い効
率で受光素子20に到達する。Therefore, in this embodiment, by covering the outer peripheral surface of the clad layer 32 with a reflective film 34 having a high reflectance, the light flux leaking into the clad layer 32 is also reflected by this reflective film 34 and again the core layer 31. Returned inside. Therefore, the light flux reaches the light receiving element 20 with extremely high efficiency without leaking from the light pipe 30 to the outside.
【0040】反射率の高い反射膜34としては、入射光
の使用波長に応じて、各種金属膜、誘電体多層膜、或は
金属膜と誘電体多層膜との組み合わせ膜などが用いら
れ、真空蒸着やメッキなどの手法でクラッド層32の外
周面に形成される。As the reflection film 34 having a high reflectance, various metal films, a dielectric multilayer film, or a combination film of a metal film and a dielectric multilayer film is used depending on the wavelength of the incident light used. It is formed on the outer peripheral surface of the cladding layer 32 by a method such as vapor deposition or plating.
【0041】また、クラッド層32内に漏れた光束のう
ち、クラッド層32内で反射を繰り返しながら進む光束
もあるため、クラッド層32の厚みtは使用波長の2倍
以上でなるべく薄いほうがよい。Since some light flux leaks into the cladding layer 32 and travels while being repeatedly reflected in the cladding layer 32, the thickness t of the cladding layer 32 should be as thin as twice or more the used wavelength.
【0042】以上、本発明の第1〜第3の実施例につい
て説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるこ
となく、種々の変形が可能である。例えば、ライトパイ
プ30のコア層31の断面形状は真円である必要はな
く、楕円形状あるいは多角形状であってもよい。特に、
本発明の光検出装置を空間光通信システムに適用する場
合には、ライトパイプ30の光入射側の端面30bは、
上下方向が長い楕円、又は長方形とし、光出射側の端面
30aは、受光器20の形状に合わせて、円形、正方形
等とするのが実用的である。これは、空間伝播する光束
が地表付近を通る場合には、大気の温度勾配は垂直方向
に大きいので、光束は垂直方向に曲げられる傾向があ
る。このため、受光レンズの焦点面内における光スポッ
トの動きは、左右方向に比して上下方向が大きくなり、
光入射側の端面30bが上下方向に長ければ、光束を確
実に入射させることができるからである。The first to third embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to these embodiments and various modifications can be made. For example, the cross-sectional shape of the core layer 31 of the light pipe 30 does not need to be a perfect circle, and may be an elliptical shape or a polygonal shape. In particular,
When the photodetector of the present invention is applied to a spatial optical communication system, the end face 30b of the light pipe 30 on the light incident side is
It is practical that the vertical direction is an ellipse or a rectangle with a long vertical direction, and the end face 30a on the light emitting side is a circle, a square, or the like according to the shape of the light receiver 20. This is because when the light beam propagating in space passes near the surface of the earth, the temperature gradient of the atmosphere is large in the vertical direction, and therefore the light beam tends to be bent in the vertical direction. Therefore, the movement of the light spot in the focal plane of the light receiving lens is larger in the vertical direction than in the horizontal direction,
This is because if the end surface 30b on the light incident side is long in the vertical direction, the light flux can be surely incident.
【0043】また、ライトパイプ30の外形形状は、面
積の大きい方の端面30bから、面積の小さい方の端面
30aに向かって滑らかに断面積が減少するような形状
であればよく、特に、錐台形状である必要はない。この
ことは、ライトパイプ30の実質的全長を長く保ったま
ま(径に対し全長が長いほど、光出射口での照度むらが
少なくなる効果がある)、装置全体をコンパクトにする
のに役立つ。つまり、図5に示すように、ライトパイプ
30を渦巻き状に巻き付ければ、全長を短くすることが
できる。The outer shape of the light pipe 30 may be such that the cross-sectional area smoothly decreases from the end surface 30b having a larger area to the end surface 30a having a smaller area, and in particular, a conical shape is used. It does not have to be trapezoidal. This helps to make the entire device compact while maintaining the substantial total length of the light pipe 30 (the longer the total length with respect to the diameter, the less the uneven illuminance at the light emission port). That is, as shown in FIG. 5, if the light pipe 30 is spirally wound, the total length can be shortened.
【0044】さらに、図2を用いて光検出装置1が空間
光通信システムに適用できることを示したが、光検出装
置2,3も、光検出装置1と同様、空間光通信システム
に適用できる。Further, although it is shown in FIG. 2 that the photodetector 1 can be applied to the spatial optical communication system, the photodetectors 2 and 3 can also be applied to the spatial optical communication system like the photodetector 1.
【0045】[0045]
【発明の効果】本発明の光検出装置は、一端の径が他端
の径より太い棒形状のコア層とこのコア層の側面を覆う
クラッド層とからなる導波管と、コア層の径が細い側の
導波管の端面と受光部を対向して配置された受光素子
と、導波管と受光素子とを接着する接着剤層とを備えて
いる。そして、導波管のコア層の径が太い側の端面から
入射した光は、コア層とクラッド層の境界面で全反射し
つつ集光され、径が細い側の端面から出射し、接着剤層
を透過して受光素子の受光部に入射する。この入射光に
よって、受光素子からは入射光の受光強度に応じた信号
が出力される。The photodetector of the present invention has a waveguide having a rod-shaped core layer having a diameter at one end thicker than the diameter at the other end, and a cladding layer covering the side surface of the core layer, and the diameter of the core layer. Is provided with a light-receiving element in which the end face of the waveguide on the narrow side and the light-receiving portion are arranged so as to face each other, and an adhesive layer for bonding the waveguide and the light-receiving element. Then, the light incident from the end surface of the waveguide having the larger diameter core layer is condensed while being totally reflected at the boundary surface between the core layer and the clad layer, and emitted from the end surface having the smaller diameter. The light passes through the layer and enters the light receiving portion of the light receiving element. Due to this incident light, the light receiving element outputs a signal corresponding to the received light intensity of the incident light.
【0046】コア層の屈折率n、接着剤層の屈折率n′
および受光素子の受光部の屈折率n″との間に、n≦
n′≦n″の関係があるので、コア層と接着剤層の境界
面および接着剤層と受光素子の受光部との境界面に到達
した光は、全反射することなくこれらの面を通過する。
このため、入射光は極めて少ない光損失で受光素子の受
光部に集光される。Refractive index n of core layer, refractive index n'of adhesive layer
And the refractive index n ″ of the light receiving portion of the light receiving element, n ≦
Since there is a relationship of n ′ ≦ n ″, the light reaching the boundary surface between the core layer and the adhesive layer and the boundary surface between the adhesive layer and the light receiving portion of the light receiving element passes through these surfaces without being totally reflected. To do.
For this reason, the incident light is focused on the light receiving portion of the light receiving element with very little light loss.
【0047】また、本発明の光検出装置は導波管を用い
て入射光を集光しているので、集光位置に形成される光
スポット像は非常に小さくなる。このため、受光部の面
積の小さな受光素子を用いることが可能となり、応答周
波数が上がり、S/Nも向上する。Further, since the photodetector of the present invention collects the incident light using the waveguide, the light spot image formed at the collecting position becomes very small. Therefore, it becomes possible to use a light receiving element having a small area of the light receiving portion, the response frequency is increased, and the S / N is also improved.
【図1】第1の実施例に係る光検出装置の構成を示す断
面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a configuration of a photodetector according to a first embodiment.
【図2】第1の実施例の光検出装置を空間光通信システ
ムに適用した例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an example in which the photodetector of the first embodiment is applied to a spatial optical communication system.
【図3】第2の実施例に係る光検出装置の構成を示す断
面図である。FIG. 3 is a sectional view showing a configuration of a photodetector according to a second embodiment.
【図4】第3の実施例に係る光検出装置の構成を示す断
面図である。FIG. 4 is a sectional view showing a configuration of a photodetector according to a third embodiment.
【図5】第1〜3の実施例の応用例としてライトパイプ
を渦巻き状に巻き付けた例を示す図である。FIG. 5 is a view showing an example in which a light pipe is spirally wound as an application example of the first to third embodiments.
【図6】従来の空間光通信システムを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a conventional spatial optical communication system.
【図7】リレーレンズを用いた従来の送受信器を示す図
である。FIG. 7 is a diagram showing a conventional transceiver using a relay lens.
20…受光素子、20a…受光部、30…ライトパイプ
(導波管)、30a,30b…端面、31…コア層、3
2…クラッド層、33,34…反射膜、40…接着剤
層。20 ... Light receiving element, 20a ... Light receiving part, 30 ... Light pipe (waveguide), 30a, 30b ... End face, 31 ... Core layer, 3
2 ... Clad layer, 33, 34 ... Reflective film, 40 ... Adhesive layer.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H04B 10/00 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Office reference number FI technical display location H04B 10/00
Claims (5)
端に向けて断面積が滑らかに減少する棒形状のコア層と
このコア層の側面を覆い前記コア層の屈折率nより屈折
率の低いクラッド層とからなる導波管と、 前記コア層の径が細い側の前記導波管の端面と受光部を
対向して配置された受光素子と、 前記導波管と前記受光素子との間に形成され、前記導波
管と前記受光素子とを接着する接着剤層とを備え、 前記コア層の屈折率nと前記接着剤層の屈折率n′と前
記受光素子の受光部の屈折率n″との関係が、n≦n′
≦n″であることを特徴とする光検出装置。1. A rod-shaped core layer having a diameter at one end larger than the diameter at the other end and a cross-sectional area smoothly decreasing from one end to the other end, and a core layer covering the side surface of the core layer and having a refractive index n of the core layer. A waveguide including a clad layer having a low refractive index, a light receiving element in which an end face of the waveguide on the side of the core layer having a small diameter and a light receiving portion are arranged to face each other, the waveguide and the light receiving An adhesive layer formed between the waveguide and the light receiving element, the refractive index n of the core layer, the refractive index n'of the adhesive layer, and the light reception of the light receiving element. The relation with the refractive index n ″ of the part is n ≦ n ′
A photodetector characterized in that ≦ n ″.
されていることを特徴とする請求項1記載の光検出装
置。2. The photodetector according to claim 1, wherein a reflective film is formed on the outer peripheral surface of the cladding layer.
端に向けて断面積が滑らかに減少する棒形状のコア層と
このコア層の径が細い側の側面を覆う反射膜とこの反射
膜に覆われていない前記コア層の側面を覆い前記コア層
の屈折率nより屈折率の低いクラッド層とからなる導波
管と、 前記コア層の径が細い側の前記導波管の端面と受光部を
対向して配置された受光素子と、 前記導波管と前記受光素子との間に形成され、前記導波
管と前記受光素子とを接着する接着剤層とを備えること
を特徴とする光検出装置。3. A rod-shaped core layer whose one end has a diameter larger than that of the other end and whose cross-sectional area decreases smoothly from one end to the other end; and a reflective film which covers the side surface of the core layer on the side where the diameter is small. A waveguide including a clad layer that covers the side surface of the core layer not covered with the reflective film and has a refractive index lower than the refractive index n of the core layer, and the waveguide having a smaller diameter of the core layer. A light-receiving element having an end face and a light-receiving portion facing each other, and an adhesive layer formed between the waveguide and the light-receiving element to bond the waveguide and the light-receiving element to each other. A photodetector characterized by.
屈折率n′と前記受光素子の受光部の屈折率n″との関
係が、n≦n′≦n″であることを特徴とする請求項3
記載の光検出装置。4. The relationship between the refractive index n of the core layer, the refractive index n ′ of the adhesive layer, and the refractive index n ″ of the light receiving portion of the light receiving element is n ≦ n ′ ≦ n ″. Claim 3 characterized by
The photodetector described.
多角形であることを特徴とする請求項1から請求項4の
いずれかに記載の光検出装置。5. The photodetector according to claim 1, wherein the waveguide has a cross-sectional shape that is an ellipse or a polygon.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6287964A JPH08148703A (en) | 1994-11-22 | 1994-11-22 | Photodetector |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6287964A JPH08148703A (en) | 1994-11-22 | 1994-11-22 | Photodetector |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08148703A true JPH08148703A (en) | 1996-06-07 |
Family
ID=17724037
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6287964A Pending JPH08148703A (en) | 1994-11-22 | 1994-11-22 | Photodetector |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08148703A (en) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
1994
- 1994-11-22 JP JP6287964A patent/JPH08148703A/en active Pending
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