本發(fā)明涉及光傳輸器件，尤其為一種單芯光收發(fā)器。

背景技術(shù)：
在現(xiàn)有的光纖通信用的光收發(fā)器中，由于用光纖連接本機(jī)的發(fā)送側(cè)與對方機(jī)器的接收側(cè)，用光纖連接本機(jī)的接收側(cè)與對方機(jī)的發(fā)送側(cè)，因此需要多個光纖。因此，從裝置構(gòu)成的簡單化觀點(diǎn)看，例如在日本特開2003-307656號公報所記載的光收發(fā)用模塊中，采用了通過使用分波濾波器來將發(fā)光元件的光軸與受光元件的光軸結(jié)合于單一纖維的結(jié)構(gòu)。另外，作為光纖側(cè)的結(jié)構(gòu)，例如在日本特開平10-200154號公報所記載的光半導(dǎo)體元件中，在同一基板上分別形成發(fā)光部和受光部，在基板的中心部配置有發(fā)光部，并以圍著發(fā)光部的方式環(huán)狀地配置有受光部。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
然而，在上述的專利文獻(xiàn)2那樣的結(jié)構(gòu)中，發(fā)光部位于基板的中心，在其周圍配置受光部，因而在受光部不能接收來自于光纖的光中光強(qiáng)度最強(qiáng)的中心部分的光，可以認(rèn)為不能得到充分的受光靈敏度。另外，由于在同一基板上形成發(fā)光部和受光部，因此也有材料受到限制這樣的問題。本發(fā)明是為了解決上述問題而作出的，其目的在于提供一種使用了單一的光纖的光通信中能夠充分地確保受光靈敏度的光收發(fā)器。為了解決上述問題，本發(fā)明所涉及的單芯光收發(fā)器是經(jīng)由單一光纖而收發(fā)光信號的光收發(fā)器，具備發(fā)送所述光信號的發(fā)光元件、以及接收所述光信號的受光元件，所述發(fā)光元件是包含在所述受光元件的受光面上與該受光面同軸配置的藍(lán)寶石基板、以及在所述藍(lán)寶石基板上層疊的氮化物半導(dǎo)體層而構(gòu)成的LED。在該單芯光收發(fā)器技術(shù)方案中，在受光元件的受光面上將藍(lán)寶石基板與受光面同軸配置，在該藍(lán)寶石基板上形成氮化物半導(dǎo)體層而構(gòu)成成為發(fā)光元件的LED。在該結(jié)構(gòu)中，通過受光元件與發(fā)光元件同軸配置，可以與單一光纖結(jié)合。另外，通過對發(fā)光元件的基板使用藍(lán)寶石基板，能夠使光纖的傳送損失小的波長帶的光信號通過藍(lán)寶石基板而到達(dá)受光元件的受光面。因此，即使在受光元件的受光面上配置發(fā)光元件，也能夠在整個受光面接收來自于光纖的光信號，能夠充分地提高受光靈敏度。在上述單芯光收發(fā)器技術(shù)方案中，所述發(fā)光元件經(jīng)由相對于該發(fā)光元件的發(fā)光波長具有透明性的樹脂而固定在所述受光元件的所述受光面上。所述樹脂為環(huán)氧類樹脂或硅酮類樹脂。另外，發(fā)光元件優(yōu)選為經(jīng)由相對于該發(fā)光元件的發(fā)光波長具有透明性的樹脂而固定在受光元件的受光面上。這種情況下，因此能夠進(jìn)一步充分提高受光靈敏度。在上述單芯光收發(fā)器技術(shù)方案中，發(fā)光元件的負(fù)極電極墊和正極電極墊均設(shè)置在發(fā)光元件的發(fā)光面?zhèn)?。在該情況下，不需要在發(fā)光元件的背面(發(fā)光面的相反面)形成電極或配線等，因而能夠充分地確保藍(lán)寶石基板的光信號的透過區(qū)域。因此，能夠進(jìn)一步充分地提高受光靈敏度。在上述單芯光收發(fā)器技術(shù)方案中，從所述發(fā)光元件發(fā)送的所述光信號的波長范圍為450nm～600nm。所述發(fā)光元件發(fā)送的所述光信號的波長優(yōu)先為510nm綠光。通過使用該波長帶的光信號，能夠充分地確保藍(lán)寶石基板的透過率。因此，能夠進(jìn)一步充分地提高受光靈敏度。在上述單芯光收發(fā)器技術(shù)方案中，還具備在所述發(fā)光元件工作時使所述受光元件的工作停止、在所述受光元件工作時使所述發(fā)光元件的工作停止的開關(guān)。由此，能夠抑制發(fā)光元件的發(fā)光所引起的受光元件的噪音、或者受光元件受光時的漫反射所引起的不良情況。另外，可以設(shè)置為所述受光元件正負(fù)極之間經(jīng)由放電開關(guān)而連接，在所述發(fā)光元件工作時，所述放電開關(guān)設(shè)為導(dǎo)通，在所述受光元件工作時，所述放電開關(guān)設(shè)為關(guān)斷?；蛘?，也可設(shè)置為所述受光元件的負(fù)極端經(jīng)由放電開關(guān)而連接至基準(zhǔn)電位，在所述發(fā)光元件工作時，所述放電開關(guān)設(shè)為導(dǎo)通，在所述受光元件工作時，所述放電開關(guān)設(shè)為關(guān)斷。由此，能夠在發(fā)送模式時，對起因于發(fā)光元件所產(chǎn)生的光而在受光元件內(nèi)產(chǎn)生的電荷進(jìn)行放電。從而抑制了誤動作，并能夠在切換至接收模式時迅速地轉(zhuǎn)移至通常動作。在上述單芯光收發(fā)器技術(shù)方案中，所述單一光纖為塑料光纖。塑料光纖與綠光相匹配，在光通信中，能夠充分地確保受光靈敏度。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是，本發(fā)明單芯光收發(fā)器中的發(fā)光元件和受光元件的同軸設(shè)置，使得用單一光纖能夠?qū)崿F(xiàn)光收發(fā)功能；采用“半雙工”工作模式，能實(shí)現(xiàn)單芯雙向光通信功能；另外，選擇藍(lán)寶石基板用作發(fā)光元件的基板，選擇綠光作為傳輸光信號，選擇塑料光纖作為光傳輸介質(zhì)，能夠使光纖的傳送損失小、充分地提高受光靈敏度。附圖說明圖1是使用本發(fā)明的一個實(shí)施方式所涉及的單芯光收發(fā)器而構(gòu)成的光通信系統(tǒng)的示意圖。圖2是本發(fā)明單芯光收發(fā)器的結(jié)構(gòu)剖面示意圖。圖3是本發(fā)明單芯光收發(fā)器的平面示意圖。圖4是本發(fā)明單芯光收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)半雙工通信功能的構(gòu)成要素示意框圖。圖5是光收發(fā)器沒有控制開關(guān)情況下的時序圖。圖6是本發(fā)明單芯光收發(fā)器的半雙工通信方式的時序圖。圖7是本發(fā)明單芯光收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)半雙工通信功能的一個方式的示意框圖。圖8是本發(fā)明單芯光收發(fā)器的實(shí)現(xiàn)半雙工通信功能的其他方式的示意框圖。圖9是表示本發(fā)明的效果確認(rèn)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果列表圖。符號說明1…單芯光收發(fā)器，2…光纖，3…透鏡，11…引線框，12…受光元件，12a…受光面，13…發(fā)光元件，13a…氮化物半導(dǎo)體層，13b…藍(lán)寶石基板，13c…發(fā)光面，14…樹脂層，21…負(fù)極電極墊，22…正極電極墊，23…導(dǎo)線，24…導(dǎo)線，25…負(fù)極電極墊，26…導(dǎo)線，31…開關(guān)，32…控制部。具體實(shí)施方式以下，邊參照附圖，邊就本發(fā)明所涉及的單芯光收發(fā)器的優(yōu)選實(shí)施方式詳細(xì)地進(jìn)行說明。圖1是表示使用本發(fā)明的一個實(shí)施方式所涉及的單芯光收發(fā)器而構(gòu)成的光通信系統(tǒng)的概要示意圖。如該圖所示，光通信系統(tǒng)S是用單一的光纖2連接一對單芯光收發(fā)器1(1A、1B)的、例如在局域網(wǎng)使用的一芯雙向系統(tǒng)。另外，在光通信系統(tǒng)S中，通過光收發(fā)器1A，1B側(cè)的功能，以發(fā)送與接收不同時工作的半雙工通信方式實(shí)現(xiàn)光信號的收發(fā)。進(jìn)行光信號的收發(fā)的單芯光收發(fā)器1，如圖2所示，經(jīng)由透鏡3而結(jié)合于光纖2。對于光纖2，例如使用芯徑為1mm左右的大口徑的塑料光纖。在塑料光纖中，對典型地波長450nm～600nm左右的光傳送損失為100dB/km，進(jìn)一步具有使500nm～550nm左右的光、特別是510nm附近的光傳送損失最小的特性。單芯光收發(fā)器1具備形成在引線框11上的受光元件12、形成在受光元件12上的發(fā)光元件13而構(gòu)成。受光元件12例如是Si光電二極管，其通過將引線框11作為正極電極，在引線框11上依次層疊p型半導(dǎo)體層、n型半導(dǎo)體層、絕緣層、以及貫通絕緣層而至n型半導(dǎo)體層的負(fù)極電極墊25(參照圖3)在俯視狀態(tài)下形成矩形狀。另外，在與受光元件12中的引線框11相反側(cè)的面，設(shè)置有大致圓形狀的受光面12a，接收從光纖2側(cè)出射的波長450nm～600nm左右的光信號。另一方面，發(fā)光元件13例如是在藍(lán)寶石基板13b上層疊氮化物半導(dǎo)體層13a而成的LED。藍(lán)寶石基板13b是對近紫外線至紅外線光的寬范圍的波長具有透過性的基板，其配置在受光元件12的受光面12a上。發(fā)光元件13通過在該藍(lán)寶石基板13b上將緩沖層、n型GaN包覆層、InGaN/GaN活性層、以及p型GaN包覆層作為氮化物半導(dǎo)體層13a依次層疊，在俯視狀態(tài)下形成為矩形狀。另外，在發(fā)光元件13中的與藍(lán)寶石基板13b相反側(cè)的面，設(shè)置有大致矩形狀的發(fā)光面13c，將波長450mn～600nm左右的光信號出射至光纖2側(cè)。發(fā)光元件13相對于受光元件12的受光面12a足夠小地形成，在受光面12a的大致中心部分與受光面12a同軸配置。該發(fā)光元件13，在使藍(lán)寶石基板13b與受光面12a相對的狀態(tài)下，經(jīng)由相對于發(fā)光元件13的發(fā)光波長為透明的樹脂層14、例如由環(huán)氧類樹脂或硅酮類樹脂構(gòu)成的粘著劑而固定于受光元件12上。另外，受光面12a和發(fā)光面13c的中心軸進(jìn)行調(diào)整，使與光纖2的光軸一致。因此，如圖2所示，從發(fā)光元件13出射的光信號經(jīng)由透鏡3而結(jié)合于光纖2，從光纖2出射的光信號經(jīng)由透鏡3而結(jié)合于受光元件12。此時，受光元件12的受光面12a上配置有發(fā)光元件13，但在發(fā)光元件13中，藍(lán)寶石基板13b的厚度相對于氮化物半導(dǎo)體層13a的厚度處于支配地位。因此，從光纖2出射的光信號的中心部分的光，其大部分會通過發(fā)光元件13而到達(dá)受光元件12。另外，發(fā)光元件13的p型GaN包覆層與n型GaN包覆層的一部分均在發(fā)光面13c側(cè)露出。于是，如圖3所示，連接于n型GaN包覆層的負(fù)極電極墊21、以及連接于p型GaN包覆層的負(fù)極電極墊22均配置在發(fā)光元件13的發(fā)光面13c側(cè)。負(fù)極電極墊21和正極電極墊22分別經(jīng)由導(dǎo)線23，24而與規(guī)定的電路電連接。另外，在受光元件12的受光面12a側(cè)，在與受光面12a不重疊的位置配置有受光元件12的負(fù)極電極墊25。該負(fù)極電極墊25也經(jīng)由導(dǎo)線26與規(guī)定的電路電連接。再有，連接于負(fù)極電極墊21的導(dǎo)線23與連接于正極電極墊22的導(dǎo)線24位于受光面12a的前面而遮蔽了從光纖2出射的光信號的一部分，但適當(dāng)?shù)剡x擇導(dǎo)線23，24的直徑，使被導(dǎo)線23，24遮蔽的面積相對于受光面12a足夠地小，由此能夠充分地抑制對單芯光收發(fā)器1的受光靈敏度的影響。此外，如圖4所示，單芯光收發(fā)器1具有控制上述的發(fā)光元件13和受光元件12的工作的開關(guān)31。該開關(guān)31受設(shè)置在單芯光收發(fā)器1的外部的控制部32的切換信號控制，在發(fā)光元件13的光出射時，受光元件12的輸出為低電平而實(shí)質(zhì)上使受光元件12的工作停止，在受光元件12受光時，發(fā)光元件13的輸出為低電平而實(shí)質(zhì)上使發(fā)光元件13的工作停止。由此，在光通信系統(tǒng)S中，實(shí)現(xiàn)發(fā)送與接收不同時工作的半雙工通信方式。圖4的電路中，在發(fā)送模式中，發(fā)光元件13(LED)出射(發(fā)光)時，實(shí)質(zhì)上使受光元件12(PD)的工作停止，在接收模式中，使LED的工作停止，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收不同時工作的半雙工通信方式。其時序圖如圖6所示。圖4的電路中，如圖6的時序圖那樣動作。發(fā)送模式時，驅(qū)動用電信號輸入至LED，從LED相對于光纖輸出通信用的光信號。來自LED的發(fā)光(通信用光信號)不僅向光纖2側(cè)，同時也向藍(lán)寶石基板側(cè)出射。特別地，如圖2那樣，PD的受光面上同軸配置LED的情況下，受到向LED的基板側(cè)出射的光的影響。LED基板相對于LED的發(fā)光波長為吸光的材料，或基板的背面?zhèn)日麄€面形成有電極的情況下，從LED向基板側(cè)出射的光被基板吸收，或由基板背面所覆蓋的電極而反射，不會造成大的影響。然而，像本發(fā)明這樣，使LED的發(fā)光波長透過的藍(lán)寶石基板上層疊有氮化物半導(dǎo)體，且藍(lán)寶石基板的背面?zhèn)任葱纬捎须姌O的情況下，從LED出射的光與通過光纖傳輸?shù)墓饩哂邢嗤牟ㄩL，所以與從光纖傳輸?shù)墓庀嗤?，透過藍(lán)寶石基板，入射至位于正下方的PD的受光面。配置于LED正下方的PD中，由入射的光在PD內(nèi)部產(chǎn)生電荷，從PD的負(fù)極作為光電流而輸出。因此，圖4的電路中，沒有開關(guān)31的情況下，在發(fā)送模式時從PD輸出信號(圖5)，成為誤動作的原因。圖4的電路中，根據(jù)來自控制部的切換信號，控制開關(guān)31而使發(fā)送模式時受光元件的輸出成為低電平，從而在實(shí)質(zhì)上停止受光元件的動作。因此，在發(fā)送模式下，不從PD輸出信號，從而抑制了誤動作。而且，在圖7的連接例中，PD的正負(fù)極之間經(jīng)由放電開關(guān)A而連接。如上述那樣，在發(fā)送模式下，在PD上來自LED的出射光被入射，在PD內(nèi)部產(chǎn)生電荷。在該電路中，發(fā)送模式時的PD動作停止，不僅從PD不輸出信號，而且通過將PD的正負(fù)極之間的開關(guān)A設(shè)為導(dǎo)通，正負(fù)極之間連接而成為接地電位，對在PD內(nèi)產(chǎn)生的電荷進(jìn)行放電。此外，在PD內(nèi)部產(chǎn)生的電荷保持為存儲于PD內(nèi)部的狀態(tài)(充電的狀態(tài))，在切換至接收模式的情況下，存儲的電荷從PD作為光電流而漏出，成為誤動作的原因。直至成為誤動作的原因的被充電的電荷的量消失為止，作為通常的接收模式的動作不能進(jìn)行，因此發(fā)送模式和接收模式之間的期間變長。根據(jù)圖7的電路，根據(jù)LED的發(fā)光在PD內(nèi)產(chǎn)生的電荷在產(chǎn)生的同時被放電，不在PD內(nèi)部存儲(充電)。因此，能夠在切換至接收模式時迅速地轉(zhuǎn)移至通常動作。接收模式期間，通過將開關(guān)A關(guān)斷，從光纖傳輸?shù)男盘柟?，?jīng)由LED作為入射光信號入射至PD，能夠從PD作為電氣信號輸出。另外，將PD的圖7的開關(guān)A替換為圖8的連接例中，設(shè)置有用于將PD的負(fù)極端連接于Vcc等的基準(zhǔn)電位的放電開關(guān)B，通過在發(fā)送模式時使開關(guān)B導(dǎo)通，將PD的負(fù)極連接于Vcc等的基準(zhǔn)電位，在PD內(nèi)部產(chǎn)生的電荷也可被放電。根據(jù)這樣的結(jié)構(gòu)，與圖7相同地，根據(jù)LED的發(fā)光在PD內(nèi)產(chǎn)生的電荷在產(chǎn)生的同時被放電，不在PD內(nèi)部存儲(充電)。因此，能夠在切換至接收模式時迅速地轉(zhuǎn)移至通常動作。接收模式期間，通過將開關(guān)B關(guān)斷，從光纖傳輸?shù)男盘柟?，?jīng)由LED作為入射光信號入射至PD，能夠從PD作為電氣信號輸出。如以上說明的，在單芯光收發(fā)器1中，在受光元件12的受光面12a上將藍(lán)寶石基板13b與受光面12a同軸配置，在該藍(lán)寶石基板13b上形成氮化物半導(dǎo)體層13a而構(gòu)成成為發(fā)光元件13的LED。通過像這樣受光元件12與發(fā)光元件13配置在同軸上，可以與單一的光纖2結(jié)合。另外，通過將藍(lán)寶石基板13b用于發(fā)光元件13的基板，使光纖2的傳送損失小的波長帶(例如450nm～600nm)的光信號通過藍(lán)寶石基板13b而到達(dá)受光元件12的受光面12a。因此，即使在受光元件12的受光面12a上配置發(fā)光元件13，也能夠包含來自于光纖2的光中光強(qiáng)度最強(qiáng)的中心部分的光，從而能夠在整個受光面12a接收來自于光纖2的光信號，能夠充分地提高受光靈敏度。另外，在單芯光收發(fā)器1中，發(fā)光元件13中的負(fù)極電極墊21和正極電極墊22均設(shè)置在發(fā)光元件13的發(fā)光面13c側(cè)。由此，由于沒有必要在發(fā)光元件13的背面形成電極或配線等，因此，能夠充分地確保藍(lán)寶石基板13b中的光信號的透光區(qū)域。因此，能夠進(jìn)一步充分地提高受光靈敏度。另外，單芯光收發(fā)器1還具備在發(fā)光元件13工作時使受光元件12的工作停止、在受光元件12工作時使發(fā)光元件13的工作停止的開關(guān)31。由此，能夠抑制發(fā)光元件13的發(fā)光所引起的受光元件12的噪聲、或者受光元件12受光時的漫反射所引起的不良情況。接著，就本發(fā)明的效果確認(rèn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行說明。本實(shí)驗(yàn)如下：分別制作將在藍(lán)寶石基板上層疊氮化物半導(dǎo)體層而得到的綠色LED配置在由Si光電二極管構(gòu)成的受光元件的受光面上而構(gòu)成的單芯光收發(fā)器(實(shí)施例)，以及將在GaAs基板上層疊氮化物半導(dǎo)體層而得到的紅色LED配置在由Si光電二極管構(gòu)成的受光元件的受光面上而構(gòu)成的光收發(fā)器(比較例)，對各試樣評價受光靈敏度和最大通信距離。在實(shí)施例和比較例中，均使用了受光面為0.8mmΦ(約0.5mm2)的Si光電二極管。另外，在實(shí)施例中，綠色LED的芯片尺寸為0.34mm×0.35mm(約0.12mm2)，在比較例中，紅色LED的芯片尺寸為0.23mm×0.23mm(約0.053mm2)。因此，Si光電二極管的受光面的露出面積，在令原面積為1的情況下，在實(shí)施例中約為0.76，在比較例中約為0.89。在該條件下，對實(shí)施例和比較例測量Si光電二極管的受光損失之后，如圖7所示，得到這樣的結(jié)果：在實(shí)施例約為-1.5dBm，與此相對，在比較例約為-2.5dBm，與LED的芯片尺寸大無關(guān)，實(shí)施例的受光損失比比較例的受光損失要小約1.0dBm。從該結(jié)果可以確認(rèn)，在實(shí)施例中，來自于光纖的光信號通過藍(lán)寶石基板而到達(dá)受光元件的受光面，能夠在整個受光面12a接受來自于光纖2的光信號。此外，Si光電二極管的綠色光(波長約510nm)的受光靈敏度相對于紅色光(波長約650nm)的受光靈敏度降低約0.7dBm，但作為光收發(fā)器的最小接收靈敏度，相抵后提高約0.3dBm。另外，在使用塑料光纖作為光纖的情況下，紅色光的傳送損失約0.15dB/m，相對而言，對于綠色光的傳送損失約0.09dB/m。因此，在使用同等的驅(qū)動IC和信號處理IC的情況下，光通信系統(tǒng)中的最大通信距離相對于在比較例中為100m左右，在實(shí)施例中可以提高至170m左右。工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明單芯光收發(fā)器適于工業(yè)應(yīng)用。