JPS5899233A - スイツチの状態を検出する光学装置 - 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】 Ｏ　Ｎ　−　Ｏ　Ｆ　Ｆ状態を検出する光学装置に関す
る。

電気系ならびに機械系においては、あるスイッチ（典型
的には系のなかのある位置、通常は顧客側の位置に配備
された電気スイッチ）が開放状態にあるかあるいは閉塞
状態にあるか全検出する必要が生じることがある。スイ
ッチと言う術語は、スイッチング機能を得るための電気
的手段、あるいは機械的手段全意味する。１機械的スイ
ッチ〃にはあらかじめ定められた位置５移動させること
ができる物理的対象物が含まれている。′電気的スイツ
チ′には短絡（ＯＮ）から開放（ＯＦＦ）へ□ のスイツ、チング、あふいは開放（ＯＦＦ）から短絡（
ＯＮ）へのスイッチングをすることができる電気的経路
を形成するための手段が含まれている。電気スイッチは
電子形ならびに電子機械形のスイッチを含んでいる。実
例には電子トランジスタ、あるいは機械式壁スィッチな
どのような従来の電気スイッチのみならず、例えば破壊
あるいは切断することができるワイア、ならびに機械的
な動きにより交互に開放と閉塞とをする装置、あるいは
愼械全電気的に導通させている電路を含むものである。

典型的には遠隔地の中央事務所において、スイッチの開
−数対閉塞（ＯＦＦ対ｏＮ）ｙ決定したシ、あるいは検
出することができることは望ましい。完全な光通信シス
テムが開発され、市場に供給されているので、中央事務
所と顧客装置の配置場所のような、システム内の他の部
分との間の電気線路（リンク）では斯かる検出のために
は適切ではないし、斯かる電気線路全具備することは経
費がかさむであろう。斯かる光学系における光フアイバ
リンクは公知のように、強度や小形化などの点で電気線
路よりも多くの利点があり、電線が害されるような腐食
性、あるいは爆発性の雰囲気のなかで使用する場合には
特に有利である。さらに、スイッチング装置、モータな
どによって電気雑音が生じる環境においては電気干渉が
問題になり得るが、この様な環境においては、スイッチ
の開閉状態全検出するために中央位置から遠隔位置への
非電気的リンクを備えることが望ましい。

特許請求の範囲に記載されている様に、本発明ではスイ
ッチの状態全検出するための、光フアイバリンクと共に
使用するに適した光学装置を提供すること全目的とする
。

本装置は次の様に動作するものと信じられる。スイッチ
が開放（ＯＦＦ）のときには、入射光λ，により発生し
た電荷が基体から外に出る閉回路がないので、これらの
電荷は再結合して放出光λ２を発生することができる。

逆に、スイッチが閉じて（ＯＮ）いるときには、電荷は
基体から外に出てゆくため、放出光λ，全発生すること
ができない。

検出されるスイッチの位置と光電検出手段との間には、
光ファイバーで構成されるような光学的接続のみが必要
であシ、電気的接続は必要がないため、中央位置と遠隔
位置との間に何ら電気的相互接続を含まないシステムま
たは装置を使用して、中央位置からスイ゛ノチの状態を
監視することができる。この様な純粋に光学的結合され
た遠隔監視機能は、人間が介入してスイッチを監視する
（即ち継続的に検出する）事が困難であるかあるいは不
適切な場合、例えば放射能の存在する環境での監視ある
いは家庭内の顧客装置を対象とする監視などには特に有
用である。

次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第１図に示すように、スイッチの状態を遠隔位置で検出
するシステムは中央位置１と、第１の顧客制御式スイッ
チ３１（検出の対象となる）が置かれている遠隔顧客位
置２とを含むものである。遠隔位置２はＰＮ接合を含む
半導体基体４を含むものである。顧客制御された第１の
、検出の対象となるスイッチ３１に対して、制御手段３
により典型的には機械的に結合された第２の電気スイッ
チ３２を接続するための導電手段５がＰＮ接合両端間に
置かれている。第１のスイッチ３１は典型的には電気的
負荷３３と電源３４とに直列接続しであるが、非電気的
な顧客装置においては非電気的なスイッチとすることも
できる。

典型的にはスイッチ３１と負荷３３とは遠隔位置に設置
しであるが、典型的には電源は遠隔位置から除去しであ
る。しかしながら、電源は遠隔位置に設置してもよい。

典型的には、単色光源６は半導体基体４から離れた中央
位置１に配置しである。光源６は、第１の光ファイバ９
によ重結合された第１の波長λ１の光ビーム７を双方向
性結合装置１０に対して放射する。結合装置１０は、光
λ１を他へ伝達するための第２９主光フアイバ８の第１
の端部８１に対して光λ１重結合するものであり、この
主ファイバの第２の端部８２は遠隔位置２において半導
体基体４に近接するものである。中央位置において光源
６から発した光λ１はこのようにして遠隔の顧客位置に
ある主ファイバ８の第２の端部８２に伝えられるが、こ
の端部８２においてはほとんどの光λ１が主ファイバ８
から出て基体４の近接表面４１に入射する。通常、光λ
、は部分的にファイバ８の第２の端部８２からファイバ
８の内部へ反射してくる。第１の波長λ１の光の°入射
に応答して半導体基体から放射された第２の波長λ、の
光よりも第１の波長λ１の光は波長が短い。波長λ２の
光は典型的には半導体材料のバンド間隙エネルギＥＢに
はソ相等して、半導体基板４によシ放射される。（λ、
＝可、ここで１はブランク−の定数であシ、Ｃは真空中
での光速塵である。−）電気スイッチ３２が開放（ＯＦ
Ｆ歌態にある時のみ、基体４は多量の光λ２を放射する
が、スイッチ３２が閉塞（ＯＮ）状態にある時には比較
的に無視できる程度の光しか放射しない。この光λ２は
存在する場合には半導体基体４から主光ファイバ８の第
２の端部８２へ光学的に結合されている。ファイバの第
２の端部８２とダイオード４の表面４１とは、λ１の見
かけの反射を避けると共にλ２の結合効率を改善して、
波長λ１．λ２の両方の光の反射を抑圧するための非反
射性被覆により覆われている。斯くして、被覆層上に入
射している第２の波長λ２の光は実質的に全て光ファイ
バ８に結合され、ファイバ８により中央位置に対して伝
達されている０第１図においてビーム１１として示され
ている光λ、は主光ファイバ８の第１の端部８１から結
合装置１０によって第３のファイバ１２に結合されてい
る。ファイバ８の第２の端部８２から反射してきた光λ
、は、結合装置１０により第３のファイバ１２から実質
的に全て除去される。第３のファイバ１２は光λ２を中
央位置の、ファイバ１２の端部に近接した位置にある光
検出器１３に伝達する。

光λ、は第３のファイバから出て光検出器１３に入射す
る。遠隔位置において半導体基体４から放射された波長
λ２の光は、斯くして中央位置に置かれた光検出器１３
により検出される。それゆえ、遠隔位ｌｔ２の結合され
たスイッチ３１．３２が閉じた時には、波長λ、の光は
中央位置１の光検出器ではほとんど、あるいはまったく
検出されないが、スイッチ３１．３２が開放した時には
、波長λ２の光は光検出器１３により実質的に全て検出
される。

第２図に示すように、他の遠隔位置２１において、第２
のスイッチ３２は第１の、検出の対象となるスイッチを
兼ねており、防犯警報システムの一部である。接続手段
５は図示されていない室の壁の内側に張ったワイアから
成立ち、このワイアは扉あるいは窓の様な室への入口を
横切る電気路により結合されている。入口全横切る電気
路は第２の、検出の対象となるスイッチ３２としてふる
まい、接続手段（ワイア）５によりＰＮ接合の両端に接
続されている。スイッチ３２を形成する扉または窓が開
放されている時ならびにこの時のみに、光λ１の入射に
応答して半導体基体４から光λ２が放射される。

更に詳細に説明すると第１図に示したシステムには、活
性領域にはソ８％のアルミニウムを含み、は’；　０．
８２ミクロンの波長λ１の光ビーム７を放出する光源と
してＧａＡｓレーザ６を含む。中央事務所１においては
、レーザビーム７は第１の多重モードの光ファイバ９に
より、ビーム７を第２の多重モードの光ファイバ８の第
１の端部８１に対して反射するためのＧＲＩＮレンズ式
双方向性結合装置１０へ結合されている。ここで、ＧＲ
ＩＮレンズはグレード屈折率を有するレンズである。

各ファイバは典型的には開口数０．２コア直径５０ミク
ロンのグレーデッドインデックス型である。ファイバ８
は光λ、全遠隔顧客位置２に伝えるが、この位置では光
λ１は第２の、顧客側の端部８２においてファイバから
出て、基体４として作用するバラス（Ｂｕｒｒｕｓ　）
型があるいはその他の半導体発光ダイオード（典型的に
はエツチングされた光結合ウェルｋ　Ｖ４えた）に入射
する。例えば、アール・シー・ミラーらの論文１高能率
Ｇａｐ／Ａｓ二重異種構造の光起電検出器１　（応用物
理小論文語、第３３巻７２１〜７２３ページ、１９７８
年、Ｒ，Ｃ，Ｍｉｌｌｅｒ　ｅｔす、、　ｅｎｔｉｔｌ
ｅｄ’Ａ　Ｈｉｇｈ　−Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ　Ｇａ＃
Ａａ　Ｄｏｕｂｌｅ−Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ
Ｐｈｏｔｏｖｏｌｔａｉｃ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ、　’　
ｐｕｂｌｉｓｈｅｄ　１ｎＡｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉ
ｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ、　Ｖｏｌ、　３３．ｐｐ。

７２１〜７２３　（１９７８）　）−に記載されている
ように、基体４は二重異種接合の形をとることができる
。第２のスイッチ３２が開放されている時のみに、は’
、”　０．８８ミクロンの波長λ、の光が発光ダイオー
ドから放出されてファイバ８に結合されるが、このファ
イバ８によりさらに光λ、は中央事務所１に伝えられる
。中央事務所において、双方向性結合装置１０はファイ
バ８の第１の端部８１からの光λ２を、断面積がファイ
バ８，９と同様な多重モードの第３のファイバ１２に対
して結合するものである。光λ２はファイバ１２により
、検出器１３として動作するＧａ　Ａｓアバランシェ光
検出器（ＡＰＤ）に対して結合されている。

とにかく、ファイバ８の第２の端部８２から入射した光
λ１の主要部分が半導体の活性領域内（、即ちＰＮ接合
と隣接している半導体領域に、また異種接合材料を使用
している場合にはＰＮ接合と隣接したバンド間隙の狭い
材料に浸透してゆき、吸収されるように半導体基体４は
効果的に構成しである。

本発明は特定の実例に関して詳細に説明しであるが、本
発明では種々の変形を実現することもできるものである
。

例えば、第１図に示す実施例においてスイッチ３１．３
２として動作している一対のトランジスタも、第１の顧
客回路とＰＮ接合との間に電気的隔離を与えるものであ
る。両トランジスタの制御端子（例えばバイポーラトラ
ンジスタのベース、あるいは接合型ＦＥＴまたはＭＯＳ
−ＦＥＴのゲート電極）は同一の電気的節点に接続して
あって顧客により制御される・結合子゛段３として動作
し、この結合により一対のトランジスタ３１，３２’に
同時に制御することができる。典型的には結合子／段３
は両スイッチを同時にＯＮにさせ、また同時にＯＦＦさ
せる−ものである。しかしながら、第１のスイッチがＯ
Ｎ（あるいはＯＦＦ　）になると、−第２のスイッチが
Ｏ″ＦＦ（あるいはＯＮ）になる、例えばｐチャネル形
ＭＯ８−ＦＥＴとｎチャネル形ＭＯ８−ＰＥＴとのゲー
トが同一の電気的節点に接続されているとりう場合も可
能である。第２のスイッチ３２のための導電性手段５は
、第２のスイッチ３２として動作しているトランジスタ
の制御端子（ソースとドレーン）ｉＰＮ接合を横切って
電気的に接続するために使用したものである。

他の実例においては、本発明は中央位置と遠隔位置との
間で構成する光学式電話システムにおけるファイバのよ
うな、実存する光リンクを使用したものである。第１の
波長λ。

の元金変調するための電話信号部分は、遠隔位置におい
てファイバから分岐されていて、半導体基体に′結合さ
れている。第２のスイッチが開放している時にλ１に応
答して基体から放射された光λ２はファイバに戻して結
合され、中央位置に対して伝達されるが１、この位置で
λ、は光学式方向性結合装置によυ電話搬送波λ、から
分離され、光検出器に結合されている。

逆に、実存する光学式電話ファイバがスイッチ全検出す
るための光ビームλ、とλ２を伝達する手段として使用
される例もあり、この場合はλ、ならびにλ２は共に電
話信号搬（λ８．λ、）ラミ話ファイバにより伝達され
る電話信号搬送波λ、から分離するため、中央位置と遠
隔位置とに適当な光学式結合装置が設置しである。

本発明の他の変形においては、遠隔位置は離れた顧客位
置である必要はなく、中央位置において光電検出手段か
ら電気的に隔離されたものであればよい。中央にあって
、電気的に分離された位置というのは、同一の工場内あ
るいは一片の装置内に置くことができる。

例えば、工場において、第２の、検出の対象となるスイ
ッチ（第２図参照）は電算機によ多制御された周期的な
動きを有する電気的に導通可能な移動装置から成立つ。

サイクル期間の一部分で、機械は短絡路（スイッチが閉
塞している）を形成し、それによシ光電変換装置に電算
機に対する帰還信号を生成させている。

本発明の他の種々の変形においては、接続手段５はＰＮ
接合の両端に単一電気スイッチを接続することに限定さ
れず、接合間に直列に２個以上の電気スイッチを接続す
ることもできる。実例として、防犯警報システムにおい
ては、扉ならびに他の窓を介した電気的経路をワイヤ（
接続手段５）により直列に接続し、斯くしてＰＮ接合の
両端に直列接続した第２の、検出の対象となる２個のス
イッチ全形成している。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明により構成し、顧客の位置での遠隔スイ
ッチの状態を中央事務所において検出する系の一実施例
全図示したものである。 第２図は本発明により構成し、遠隔電気スイッチを検出
する第１図の実施例と互換性のある部分を図示したもの
である。 第１，２図において、１・・・中央位置、２．２１・・
・遠隔位置、３・・・結合手段、４・・・半導体基体、
５・・・導通手段、６・・・光源、７．１１０．・光ビ
ーム、８，９．１２・・・光ファイノ（，１０・・・結
合装置、１３・・・光検出器、３１゜３２・・・スイッ
チ、３３・・・負荷、３４・・電源、４１・・・半導体
基体の近接表面、８１．８２・・・光ファイバの端部で
６る。 出願人　　　−ウェスターン　エレクト１ノックカムパ
ニー、インコーポレーテツド

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ＰＮ接合を含む半導体基体と。 前記ＰＮ接合を横切って電気的スイッチを接続するため
   の導電性接続手段と、 前記半導体基体に対して光学的に結合された第１の波長
   の光学放射源と、 前記半導体基体に対して光学的に結合され、且つ第２の
   波長の放射全区分して検出するための光電変換手段と 全具備し、前記第２の波長の放射量は実質的に全て、電
   気的スイッチがＯＦＦ状態のときに第１の波長の入射に
   応答して前記半導体基体から放射され、前記電気スイッ
   チがＯＮ状態のときに放射されない様に構成したことを
   特徴とした 電気スイッチの０Ｎ−ＯＦＦ状態を検出する装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、 前記光電変換装置が中央位置に設置され、前記半導体基
   体が前記中央位置から物理的に離れて独立した位置に設
   置されていることを特徴とした電気スイッチの０Ｎ−Ｏ
   ＦＦ状態を検出する装置。 ３、特許請求の範囲第１項あるいは第２項記載の装置に
   おいて、 双方向波長応答性光学結合装置により光学的に光源に結
   合された第１の端部を有する光フナイバから成シ、前記
   ファイバが前記半導体基体に対して光学的に結合された
   第２の端部全有し、これにより前記ファイバと前記結合
   装置とが前記光源から前記半導体基体に対して送出され
   る前記第１の波長の放射光を結合し、第２の波長の放射
   光が前記半導体基体から前記光検出器へ結合される様に
   前記結合装置により前記ファイバの第１の端部へ前記光
   １検出器も結合され１いる ことを特徴とした電気スイッチの０Ｎ−（）Ｆ’　Ｆ状
   態を検出する装置。