(57)【要約】共通な光軸に沿って入射光ビームを検出し、出射光ビームを送信する光トランシーバを提供する。かかる光トランシーバは、多種多様な用途に適したコンパクトな光トランシーバを提供する。
2006510200.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光ビームを光ビーム軸に沿って検出し、出射光ビームを前記光ビーム軸に沿って送信する光電デバイスであって、
前記光ビーム軸に沿って配置され、前記入射光ビームを受信し、第１波長および／または波長範囲を検出する光検出器と、
前記光ビーム軸に沿って配置され、前記出射光ビームを送信する光送信器であって、前記出射光ビームは第２波長および／または波長範囲を含む、光送信器と、
を備える光電デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の光電デバイスであって、更に、前記光検出器および／または前記光送信器と電気的に通信する制御装置を備える、光電デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載の光電デバイスにおいて、前記光検出器は、前記第１波長および／または波長範囲の光を少なくとも部分的に吸収し、かつ前記第２波長および／または波長範囲の光を少なくとも部分的に通過させる１つ以上の吸収層を含む、光電デバイス。
【請求項４】
請求項２に記載の光電デバイスにおいて、前記光検出器および前記光送信器は第１基板上に配置され、前記制御装置は第２基板上に配置されている、光電デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載の光電デバイスにおいて、前記光検出器および／または前記光送信器は１つ以上のパッドを含み、前記制御装置は１つ以上のパッドを含む、光電デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載の光電デバイスにおいて、前記光検出器および／または前記光送信器の選択されたパッドは前記制御装置の選択されたパッドに電気的に接続されている、光電デバイス。
【請求項７】
請求項６に記載の光電デバイスにおいて、前記光検出器および／または前記光送信器の選択されたパッドは、前記制御装置の選択されたパッドに対してはんだバンプ接合されている、光電デバイス。
【請求項８】
請求項６に記載の光電デバイスにおいて、前記光検出器および／または前記光送信器の選択されたパッドは、前記制御装置の選択されたパッドに対してワイヤ・ボンドで接合されている、光電デバイス。
【請求項９】
請求項４に記載の光電デバイスにおいて、前記第１基板および前記第２基板は実質的に互いに平行に配置されている、光電デバイス。
【請求項１０】
請求項４に記載の光電デバイスにおいて、前記第２基板は、前記第１波長および／または波長範囲、ならびに前記第２波長および／または波長範囲に対して透過的または実質的に透過的である、光電デバイス。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光電デバイスにおいて、前記第２基板は、前記入射光ビームおよび／または前記出射光ビームが前記第２基板を通過するように、前記光ビーム軸に沿って配置されている、光電デバイス。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光電デバイスにおいて、前記第２基板はシリコン・オン・サファイア基板を含み、前記制御装置は前記シリコン・オン・サファイア基板のシリコン層内に制御回路を含む、光電デバイス。
【請求項１３】
請求項１２に記載の光電デバイスにおいて、前記入射光ビームおよび／または前記出射光ビームは、前記制御回路の少なくとも一部を必然的に通過する、光電デバイス。
【請求項１４】
請求項１２に記載の光電デバイスにおいて、前記入射光ビームおよび／または前記出射光ビームは、前記制御回路を通過しない、光電デバイス。
【請求項１５】
請求項１４に記載の光電デバイスにおいて、前記シリコン・オン・サファイア基板の、前記入射光ビームおよび／または出射光ビームが通過する領域に対応する領域から、シリコン層は除去または実質的に除去される、光電デバイス。
【請求項１６】
請求項１１に記載の光電デバイスにおいて、前記第２基板はＧａＰである、光電デバイス。
【請求項１７】
請求項２に記載の光電デバイスにおいて、前記制御装置は１つ以上のセンサを含む、光電デバイス。
【請求項１８】
請求項２に記載の光電デバイスにおいて、前記制御装置は１つ以上のセンサに電気的に接続されている、光電デバイス。
【請求項１９】
請求項２に記載の光電デバイスにおいて、前記制御装置は、前記光検出器により生成された電荷を蓄積する１つ以上のコンデンサを含む、光電デバイス。
【請求項２０】
請求項１９に記載の光電デバイスにおいて、前記制御装置は、前記１つ以上のコンデンサに蓄積された電荷によって少なくとも部分的に給電される、光電デバイス。
【請求項２１】
請求項２に記載の光電デバイスにおいて、前記第２基板は光学素子を含む、光電デバイス。
【請求項２２】
請求項２１に記載の光電デバイスにおいて、前記光学素子は屈折光学素子である、光電デバイス。
【請求項２３】
請求項２１に記載の光電デバイスにおいて、前記光学素子は回折光学素子である、光電デバイス。
【請求項２４】
入射光ビームを光ビーム軸に沿って検出し、出射光ビームを前記光ビーム軸に沿って送信する光電デバイスであって、
前記光ビーム軸に沿って配置された基板と、
前記光ビーム軸に沿って配置され、前記基板と隣接し、前記入射光ビームを受信し、第１波長および／または波長範囲を検出する光検出器と、
前記光ビーム軸に沿って配置され、前記基板に隣接し、前記出射光ビームを送信する光送信器であって、前記出射光ビームは第２波長および／または波長範囲を含む、光送信器と、
前記基板に隣接して配置された制御回路と、
を備え、前記基板、前記光検出器、前記光送信器、および前記制御回路は一体に形成されている、光電デバイス。
【請求項２５】
請求項２４に記載の光電デバイスにおいて、前記制御回路は、前記基板と前記光検出器および前記光送信器との間に配置されている、光電デバイス。
【請求項２６】
請求項２４に記載の光電デバイスにおいて、前記光検出器および前記光送信器は、前記基板と前記制御回路との間に配置されている、光電デバイス。
【請求項２７】
請求項２４に記載の光電デバイスであって、更に、センサを備える、光電デバイス。
【請求項２８】
請求項２７に記載の光電デバイスにおいて、前記センサは温度センサである、光電デバイス。
【請求項２９】
請求項２７に記載の光電デバイスにおいて、前記センサは圧力センサである、光電デバイス。
【請求項３０】
請求項２７に記載の光電デバイスにおいて、前記センサはＰＨセンサである、光電デバイス。
【請求項３１】
請求項２７に記載の光電デバイスにおいて、前記センサは湿度センサである、光電デバイス。
【請求項３２】
請求項２７に記載の光電デバイスにおいて、前記センサは化学センサである、光電デバイス。
【請求項３３】
請求項２７に記載の光電デバイスにおいて、前記センサは電磁場センサである、光電デバイス。
【請求項３４】
請求項２７に記載の光電デバイスにおいて、前記センサは検知される環境に晒される、光電デバイス。
【請求項３５】
入射光ビームを光ビーム軸に沿って検出し、出射光ビームを前記光ビーム軸に沿って送信する光電デバイスであって、
前記光ビーム軸に沿って配置され、前記入射光ビームを受信し、第１波長および／または波長範囲を検出する光検出器と、
前記光ビーム軸に沿って配置され、前記出射光ビームを送信する光送信器であって、前記出射光ビームは第２波長および／または波長範囲を含む、光送信器と、
ＩＶ族半導体層と、前記第１波長および／または波長範囲および前記第２波長および／または波長範囲に対して透過的または実質的に透過的である透過層とを有する基板であって、前記ＩＶ族半導体層が所定の領域において除去されている、基板と、
前記ＩＶ族半導体層内に形成された制御回路と、
を備え、前記光検出器および前記光送信器は、前記ＩＶ族半導体層が除去された領域に隣接して配置されている、光電デバイス。
【請求項３６】
請求項３５に記載の光電デバイスにおいて、前記基板、前記光検出器、前記光送信器、および前記制御回路は、一体に形成されている、光電デバイス。
【請求項３７】
光電デバイスの形成方法であって、
第１波長および／または波長範囲を受信する光検出器と、第２波長および／または波長範囲を送信する光送信器とを基板上に形成するステップであって、前記光検出器および／または前記光送信器は１つ以上のパッドを有する、光検出器と光送信機とを形成するステップと、
第２基板上に制御回路を形成するステップであって、前記制御回路は１つ以上のパッドを有する、制御回路を形成するステップと、
前記制御回路の選択されたパッドと電気的に通信する前記光検出器および／または前記光送信器の選択されたパッドによって、前記第２基板に対して前記第１基板を固定するステップと、
を備える方法。
【請求項３８】
請求項３７に記載の方法において、前記光検出器および／または前記光送信器の前記選択されたパッドは、前記制御回路の前記選択されたパッドと一直線状となるように配置されている、方法。
【請求項３９】
請求項３７に記載の方法において、前記光検出器および／または前記光送信器の前記選択されたパッドは、前記制御回路の前記選択されたパッドに対してはんだバンプ接合されている、方法。
【請求項４０】
請求項３７に記載の方法において、前記光検出器および／または前記光送信器の前記選択されたパッドは、前記制御回路の前記選択されたパッドに対してワイヤ・ボンドで接合されている、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光電デバイスの分野に関し、更に特定すれば、光トランシーバおよび遠隔光センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は、２００２年６月４日に出願し、「光トランシーバ」と題する、同時係属中の米国特許出願第１０／１６３，０５７号の一部係属出願であり、その内容はここで引用したことにより本願にも含まれるものとする。
【０００３】
多くの用途において、センサのような遠隔デバイスに電力を送出するため、さらにそこから信号を取り込むために電線が用いられている。例えば、航空機の用途では、フラップ位置センサ、温度センサ、圧力センサ等というように、遠隔配置されたセンサに電力を送出し、そこから信号を取り込むために電線が一般的に用いられている。工業的用途では、位置、圧力、温度およびその他のセンサというような、遠隔配置された多種多様なセンサに電力を送出し、それらからの信号を取り込むために、電線が一般的に用いられている。医療用途では、センサおよび／またはその他のデバイスに電力を送出し、それらからの信号を取り込むために電線が用いられている。場合によっては、センサまたはその他の電気デバイスは、カテーテル内に配され、身体内に挿入されることもある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
これらの用途およびその他の用途の各々では、電線の使用が難題を招くことがあり得る。例えば、用途によっては、雷のために長い電線の敷設が危険であったり、少なくとも信頼性が低下したりする。他の環境的電気ノイズも、かかるシステムの信頼性を損なわせたり、低下させたりする可能性がある。加えて、長い電線を張ると、かなりの容量、インダクタンス、および抵抗が発生する可能性があり、用途によっては、センサ信号を歪ませる可能性、および／またはセンサ信号を取り込む速度を低下させる可能性がある。カテーテルの使用というような医療用途では、身体内に挿入されているカテーテルを介して電線を張ることは、特に、カテーテルを患者の心臓または脳の近くに挿入するときには、望ましくない場合が多い。電線を通過する電流は、場合によっては、患者に対して脅威を与える虞れがある。加えて、特定の医療処置の間は、強い電磁場またはその他の厳しい環境条件に電線が晒される可能性があり、このため電線の使用が危険であったり、少なくとも信頼性が低下する虞れがあったりする。
【０００５】
これらの難題の一部を解決するための１つの手法は、遠隔配置されたセンサに給電するために、遠隔配置されたバッテリを用いることである。しかしながら、バッテリの使用には多数の欠点がある。例えば、バッテリは高価であることが多く、限られた時間しかもたない。バッテリが適切であっても、センサの出力信号をセンサから取り込まなければならず、多くの場合、なおも電線の使用が必要となる可能性がある。
【０００６】
電線によって生ずる前述の難題の一部を解決するための別の手法は、光ファイバを用いて、遠隔センサまたはその他のデバイスにパワーを送出すること、および／またはそこから信号を取り込むことである。第１光ファイバを用いて、遠隔センサに光パワーを送出することができる。光パワーは、遠隔配置されたフォトダイオード等によって電力に変換され得る。次いで、この電力を用いて、レーザまたは発光ダイオード等に給電することができ、センサ出力信号を表す光信号を、第２光ファイバを通じて返送する。この手法には、電磁干渉に対する耐性が高まることを含む、いくつかの利点がある。しかしながら、多くの場合、２本の別個の光ファイバを用いなければならない。１本は遠隔センサにパワーを供給するためであり、別の１本は遠隔センサからセンサ出力信号を取り込むためである。場合によっては単一のファイバを用いることができるが、光パワー信号を受信するために用いられる発光ダイオード、およびセンサ出力信号を供給するために用いられるレーザまたは発光ダイオードは、横方向に互いにずらされている場合が多いので（即ち、共通の光軸に沿っていない）、複雑な光スプリッタ／コンバイナも用いなければならない。かかる光スプリッタ／コンバイナは高価であり、大型であり、かつ多くの場合適正な光整合位置に維持することが難しい可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、共通の光軸に沿って、入射光ビームを検出し、出射光ビームを送信することができる光トランシーバを提供することによって、従来技術の欠点の多くを克服する。これによって、例えば、単一の光軸に沿って、１つ以上の光信号を光トランシーバに送出し、１つ以上の戻り信号をこの光トランシーバから供給することが可能となる。また、これは、更にコンパクトな光トランシーバも設けることができ、デバイスの密度や歩留まりを高めるのに供することができる。実施形態によっては、光トランシーバが光検出器および光放出体を含むものもあり、この場合、光検出器が入射光ビームを検出し、電力をその光放出体に供給する。これによって、例えば、光トランシーバ内のバッテリのような別個の電源を不要とすることができる。
【０００８】
例示の一つの実施形態では、光電デバイスは、第１波長および／または波長範囲を有する入射光ビームを受信し、その光の第１波長および／または波長範囲の少なくとも一部を吸収することによって入射光ビームを検出する光検出器を含む。光送信器は、好ましくは、光検出器と同じ光ビーム軸に沿って配置された光送信器も含む。好ましくは、光送信器は、第２波長および／または波長範囲を有することができる出射光ビームを送信する。第１波長および／または波長範囲は、好ましくは、第２波長および／または波長範囲とは異なる。実施形態によっては、光検出器および光送信器を共通基板上に形成するものもあるが、これは全ての実施形態において求められる訳ではない。
【０００９】
例示の一つの実施形態では、光検出器は、光送信器の上に位置する。使用中、第１波長および／または波長範囲を有する入射光ビームは、少なくとも部分的に光検出器によって吸収される。光送信器は、光検出器を介して、出射光ビームを送信することができ、出射光ビームは、第２波長および／または波長範囲を含む。この例示の実施形態では、光検出器は、好ましくは、第２波長および／または波長範囲の光の少なくとも一部を通過させ、出射光ビームに光検出器を通過させる。これは、多数の方法のいずれの方法によっても遂行することができ、例えば、第１波長および／または波長範囲の光を吸収し、第２波長および／または波長範囲の光を通過させる材料および／または材料系で光検出器を形成することを含む。例示の実施形態では、入射光ビームおよび出射光ビームの双方は、光トランシーバの共通面を通過する。
【００１０】
別の例示の実施形態では、光送信器は、光検出器から遠ざかる方向に光を送信することができる。即ち、入射光ビームおよび出射光ビームは、光トランシーバの共通面を通過しなくてもよい。そのように設ける場合、光検出器を、前述のように、第２波長および／または波長範囲を通過させる材料および／または材料系で形成する必要をなくすことができる。これによって、光トランシーバの設計自由度を高めることができる。
【００１１】
更に別の例示の実施形態では、光送信器を光検出器の上に配置しなくてもよい。この場合は、入射光ビームおよび出射光ビームは、光トランシーバの共通面を通過することができる。この実施形態では、光送信器は、第１波長および／または波長範囲の入射光ビームの少なくとも一部を光検出器に通過させる材料および／または材料系から形成され得る。光検出器は、第２波長および／または波長範囲の出射光ビームを通過させる材料および／または材料系で形成される必要はない。むしろ、光送信器は、単に、出射光信号を光検出器から遠ざかる方向に送信すればよい。
【００１２】
実施形態によっては、光検出器が１つ以上のフォトダイオードを含み、これらを用いて、入射光ビームの少なくとも一部を電力に変換できるものもある。次いで、この電力を、直接または間接的に、光送信器および／またはその他の制御ロジックまたはセンサに給電するために用いることができる。例示の一つの実施形態では、光検出器は、多数のフォトダイオードを含み、直列に接続されている。フォトダイオードを直列に接続することによって、各フォトダイオードの光誘発電圧を合計することができ、その結果更に高い光誘発電圧が得られる。これは、光検出器および／またはその他の制御ロジックが、単一のフォトダイオードにより生成可能な光誘発電圧よりも大きな、ある最小電圧を必要とする場合に望ましいと言える。実施形態によっては、直列接続されたフォトダイオードを光送信器とも直列に接続するものもある。
【００１３】
トランジスタを、直列接続されたフォトダイオードおよび／または光送信器と直列に接続することができる。トランジスタは、ドレインおよび／または２つ以上の光ダイオードおよび／または光送信器と直列に接続されたソースを有することができる。そのＦＥＴのゲートを、センサ信号またはその他の制御回路によって、直接または間接的に制御することができる。そのＦＥＴデバイスにより、光送信器に供給される電流および／または電圧を制御することができる。
【００１４】
本発明の光トランシーバは遠隔位置に配置されてもよいと考えられる。ローカル光送信器およびローカル光検出器を用いて、遠隔光トランシーバと通信することができる。好ましくは、ローカル光送信器およびローカル光検出器は電源を有する。遠隔光トランシーバも電源を有するとよいが、実施形態によっては、これは不要である。ローカル光源は、好ましくは、入射光信号を遠隔光トランシーバの光検出器に供給し、ローカル光検出器は、好ましくは、遠隔光送信器が供給した出射光信号を検出する。ローカル光送信器およびローカル光検出器は、自由空間、１本以上の光ファイバ、またはその他の任意の光伝送媒体のような、光伝送媒体を通じて、遠隔光トランシーバと通信することができる。
【００１５】
実施形態によっては、ローカル光送信器が光パワー信号を遠隔光検出器に供給できるものもある。遠隔光検出器は、ローカル光送信器が供給した光パワー信号の少なくとも一部を吸収し、光パワー信号を電力信号に変換することができる。電力信号からの電力の少なくとも一部を、遠隔光送信器を駆動するために用いることができる。この実施形態では、遠隔光トランシーバは、遠隔配置された電源を有する必要はない。
【００１６】
遠隔光トランシーバは、制御装置も含むことができ、更に実施形態によっては、１つ以上のセンサ等も含むものもある。制御装置および／センサに対しても、遠隔光検出器が供給する電力信号によって給電することができる。制御装置は、１つ以上の信号をローカル光検出器に返信するために、選択的に遠隔光送信器を活性化することができる。
【００１７】
用途によっては、制御信号またはその他の信号を遠隔トランシーバに供給することが望ましいものもあり得る。一つの実施形態では、ローカル送信器は、光パワー信号、および１つ以上の制御信号またはその他の信号を遠隔光トランシーバに供給することができる。１つ以上の制御信号またはその他の信号は、例えば、光パワー信号の上で変調されてもよければ、あるいは多少異なる波長で供給されてもよい。いずれの場合であっても、遠隔光検出器は、光パワー信号および１つ以上の制御信号またはその他の信号を、必要に応じて検出することができる。
【００１８】
用途によっては、遠隔光トランシーバはそれ自体の電源を有するとよい場合もある。その際、遠隔光トランシーバは、ローカル・トランシーバから１つ以上の信号を受信することができ、１つ以上の信号をローカル検出器に返信することができる。この実施形態では、遠隔光トランシーバを一層効率的に設けることができる。何故なら、遠隔光トランシーバの光検出器および光送信器が共通の光軸に沿って位置するからである。
【００１９】
先に注記したように、本発明の実施形態の一部は、１つ以上の環境特性を検知するための遠隔センサを含む。しかしながら、別個の遠隔センサを設ける代わりに、光放出体自体がセンサとして機能すればよいこと、または検知機能を提供するのに役立つことも考えられる。例えば、例示の一つの実施形態では、光放出体の選択された性能パラメータは、１つ以上の環境特性と共に変動し得る。光放出体の放出出力を監視することによって、１つ以上の環境特性の大きさ(measure) を判定することができる。
【００２０】
別の実施形態では、遠隔光放出体とローカル光検出器との間にフィルタを設けることもできる。フィルタ特性は、１つ以上の環境特性と共に変動し得る。従って、光放出体の放出出力をフィルタを介して監視することによって、１つ以上の環境特性の大きさを判定することができる。実施形態によっては、フィルタを光ファイバとするとよい場合もある。
【００２１】
検知機能を提供するのに役立つ場合、光放出体は、例えば、戻り光信号、およびセンサ光信号を放出するとよい。センサ光信号を、１つ以上の環境特性を検知するために用いることができ、一方、戻り光信号は、１つ以上の環境特性の大きさをローカル検出器に中継することができる。例示の一つの実施形態では、センサ光信号は、光放出体から所定の距離だけ離間した反射面に方向付けられる。光放出体と反射面との間の分離距離は、圧力のような、１つ以上の環境特性に依存するようになっている。また、分離距離は、反射光ビームの位相にも影響を及ぼす。動作の間、反射光ビームは、反射して光放出体に戻り、信号のレベル、または戻り光信号におけるノイズのレベルのような、戻り光信号の１つ以上の特性に作用する。戻り光信号を監視することによって、１つ以上の環境特性の大きさを判定することができる。吸収および／または蛍光も、光放出体内およびその周囲における１つ以上の環境特性の大きさを与えるために用いることができる。
【００２２】
実施形態によっては、光検出器および光送信器を第１基板上に配置するとよく、制御装置を第２基板上に配置するとよいものもある。第１基板の光検出器および／または光送信器は、１つ以上のパッドを含めばよく、第２基板の制御装置も１つ以上のパッドを含めばよい。第１基板および第２基板は、実質的に互いに平行に配置すればよく、第１基板の光検出器および／または光送信器の選択されたパッドを、第２基板の制御装置の選択されたパッドに電気的に接続することができる。これは、例えば、フリップ・チップはんだ接合、ワイヤ・ボンディング、および／またはその他の任意の適切な技法によって遂行され得る。
【００２３】
実施形態によっては、制御装置を含む第２基板を、入射光ビームおよび／または出射光ビームが第２基板を必然的に通過するように配置するとよいものもある。これらの実施形態では、第２基板は、少なくとも光ビーム軸周囲の領域において、入射光ビームおよび／または出射光ビームに対して透過的または実質的に透過的な材料で形成されればよい。実施形態によっては、第２基板はシリコン・オン・サファイア基板を含み、制御装置は、シリコン・オン・サファイア基板のシリコン層内に形成されている制御回路を含む。場合によっては、入射光ビームおよび／または出射光ビームは、制御回路の少なくとも一部を通過すればよい。他の場合では、制御回路が、入射光ビームおよび／または出射光ビームが制御回路を通過しないように配置されているものもある。シリコン層は、光ビーム軸に対応する領域から除去または実質的に除去され得るが、これは全ての実施形態において必要という訳ではない。
【００２４】
実施形態によっては、第２基板が、１つ以上の屈折または回折光学素子のような１つ以上の光学素子を含むとよいものもある。１つ以上の光学素子は、入射および出射光信号と光検出器および／または光送信器との間の光結合を容易にするのに役立つことができる。
【００２５】
１つ以上のセンサを第１基板および／または第２基板、あるいは第１および／第２基板とは別個に設けるとよいことも考えられる。１つ以上のセンサは、制御装置と（例えば、電気的および／または光学的に）通信することができる。制御装置は、１つ以上のセンサから１つ以上の信号を受信し、光送信器に、必要に応じて、適切な信号を送信するように指令することができる。
【００２６】
実施形態によっては、光検出器、光送信器、および制御回路を、共通基板上に一体に形成するとよいものもある。１つ以上のセンサを、共通基板上に設けても、あるいは必要に応じて別個に設けてもよい。実施形態によっては、制御回路を基板と光検出器および光送信器との間に配置したものもある。他の実施形態では、光検出器および光送信器は、基板と制御回路との間に配置されている。１つ以上のセンサを共通基板上に一体に形成する場合、上位の介在層があれば、これらを貫通するようにチャネルまたは孔を設けて、１つ以上のセンサを、検知する環境に晒すようにするとよい。これは、特に、センサが圧力センサ、ＰＨセンサ、湿度センサ、化学または生物センサ、あるいは環境への直接的な接触が望ましいその他の任意のセンサの場合に、特に有効となり得る。
【００２７】
本発明のその他の目的、および本発明の付随する利点の多くは、以下の詳細な説明を参照し、添付図面に関連付けて検討することによって、これらが一層理解できるようになるに連れて、容易に認められるようになろう。図面においては、同一の参照番号は、図面全体を通じて、同一の部分を示すこととする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
図１は、本発明による通信システムの一例の模式図である。この通信システムの一例は、例えば、航空機用途、自動車用途、工業用途、電気通信用途、医療用途、更にそれ以外にも多くの用途を含む、多種多様な用途において用いられ、多大な利点をもたらすことができる。
【００２９】
図示のシステムは、全体として１０で示されており、ローカル・トランシーバ１２および遠隔トランシーバ１４を含む。遠隔トランシーバは、遠隔光送信器２２および遠隔光検出器２４を含む。以下で更に詳細に説明するが、遠隔光送信器２２および遠隔光検出器２４は、好ましくは、遠隔光検出器２４が入射光ビーム２６を検出することができ、遠隔光送信器は共通の光軸に沿って出射光ビーム２８を送信できるように構成されている。この構成により、光トランシーバ１４のコンパクト化が容易になる。また、この構成により、単一の光ファイバに沿って、光トランシーバ１４に１つ以上の光信号を送出し、光トランシーバ１４から１つ以上の戻り信号を供給することができ、複雑な光スプリッタ／コンバイナやその他の光誘導機構を必要としない。
【００３０】
ローカル・トランシーバ１２は、好ましくは、ローカル光送信器およびローカル光検出器２０含む。これらは双方共１８で示されている。実施形態によっては、共通の光軸に沿って、ローカル光検出器が入射光ビームを検出することができ、ローカル光送信器が出射光ビームを送信することができるようにローカル光送信器およびローカル光検出器が構成されたものもあるが、これは必須ではない。図示の実施形態では、ローカル光トランシーバ１２は、ローカル電源２０を含み、一方遠隔光トランシーバ１４は電源を含まない。実施形態よっては、遠隔光トランシーバ１４も、電源１５のような電源を有する場合もある。
【００３１】
ローカル光源１８は、好ましくは、入射光ビーム２６を遠隔光検出器２４に供給し、ローカル光検出器は、好ましくは、遠隔光送信器２２が供給する出射光信号２８を検出する。ローカル光送信器は、好ましくは、第１波長および／または波長範囲で送信し、遠隔光検出器２４は、好ましくは、第１波長および／または波長範囲を検出する。一方、遠隔光送信器２２は、好ましくは、第２波長および／または波長範囲で送信し、ローカル光検出器は、好ましくは、第２波長および／または波長範囲を検出する。ローカル光トランシーバは、自由空間、１本以上の光ファイバ、またはその他のいずれかの光伝送媒体のような光伝送媒体１６を通じて、遠隔光トランシーバ１４と通信することができる。
【００３２】
実施形態によっては、ローカル光送信器が光パワー信号２６を遠隔光検出器２４に供給するものもある。遠隔光検出器２４は、ローカル光送信器１８が供給した光パワー信号２６の少なくとも一部を吸収し、光パワー信号２６を電力信号に変換することができる。その電力信号からの電力の少なくとも一部は、遠隔光送信器２２を駆動するために用いることができる。この実施形態では、遠隔光トランシーバ１４は、独立した電源を必要としなくてもよい。
【００３３】
実施形態によっては、遠隔光トランシーバ１４が制御装置３０および／または１つ以上のセンサ等を含むものがあってもよい。実施形態によっては、制御装置３０が遠隔光検出器２４によって供給される電力信号による給電を受けられるものもある。制御装置３０を、例えば、遠隔光送信器２２を選択的に活性化し、１つ以上の信号２８をローカル光検出器１８に返送するために用いることができる。
【００３４】
実施形態によっては、制御信号またはその他の信号を遠隔トランシーバ１４に供給することが望ましい場合もある。一つの実施形態では、ローカル送信器１８は、光パワー信号、および１つ以上の制御信号またはその他の信号（これらをまとめて２６で表す）を遠隔光トランシーバ１４に供給することもできる。１つ以上の制御信号またはその他の信号は、例えば、光パワー信号上で変調されてもよいし、あるいは必要に応じて異なる波長で供給されてもよい。いずれの場合であっても、遠隔光検出器２４は、光パワー信号および、必要に応じて、１つ以上の制御信号またはその他の信号の双方を検出することができる。制御装置３０は、ローカル光送信器によって供給される制御信号またはその他の信号をデコードする際、あるいは受信する際に補助することができる。ローカル制御装置３２も、遠隔光送信器２２によって供給される信号をデコードする際、あるいは受信する際に補助することができる。
【００３５】
用途によっては、遠隔光トランシーバ１４がそれ自体の電源１５を有する場合もある。これらの実施形態では、ローカル光送信器１８は、光パワー信号を遠隔光トランシーバ１４に供給しなくてもよい。しかしながら、遠隔光トランシーバ１４はなおもローカル送信器１８から１つ以上の信号２６を受信することができ、１つ以上の信号２８を逆にローカル検出器１８に供給することができる。この実施形態は、従来の光トランシーバよりも効率的である。何故なら、遠隔光検出器２４および遠隔光送信器２２は、共通の光軸に沿って配置され得るからである。
【００３６】
図１に示した光通信システムの一例は、多種多様の用途において用いられ多大な利点をもたらす。例えば、航空機用途および工業用途では、光通信システムは、長い電線の敷設の必要性を削減または解消するのを促進し、これによって信頼性や速度を高め、通信システム全体を軽量化するのを促進することができる。
【００３７】
医療用途では、かかる光通信システムは、カテーテルのような選択医療デバイスを介して電線を引く必要性を削減または解消するのを促進することができ、遠隔電源の必要性を削減または排除するのを促進することができる。これによって、通信システムの小型化を促進することができ、電線の敷設や遠隔電源に伴う潜在的な危険性を低減することができる。
【００３８】
具体的にカテーテルに関しては、光ファイバはルーメンを通じてカテーテル内に挿入することができる。ルーメンは、例えば、カテーテル軸の近端から、近端から離れた地点まで達することができる。別の実施形態では、必要に応じて、ルーメンは、カテーテル軸の近端からは離れた位置から引くことができる。光ファイバは、カテーテル軸の近端から、場合によってはカテーテル軸のルーメンを通じて、カテーテル軸の近端から離れた位置まで達することが好ましい。別の場合には、必要に応じて、光ファイバは、カテーテル軸の壁またはその他の部分において作成される、あるいはここから作成される光誘導部とすることができる。
【００３９】
ローカル・トランシーバ１２は、光ファイバの近端に隣接して（体外に）配置することが好ましく、遠隔トランシーバ１４は、光ファイバの遠端に隣接して（体内に）配置することが好ましい。パワーは、前述のように、光パワー信号を通じて遠隔トランシーバ１４に供給され得る。１つ以上のセンサを遠隔トランシーバ１４に接続することができ、遠隔トランシーバ１４は、１つ以上のセンサ信号を供給することができる。次に、１つ以上のセンサ信号を、遠隔光送信器２２を介して、ローカル光トランシーバ１２に返送することができる。制御装置３０は、１つ以上のセンサ出力信号を受信し、それに応じて遠隔光送信器２２を制御することによって、この動作を補助することができる。１つ以上のセンサは、例えば、ＲＦコイル、化学センサ、温度センサ、圧力センサ、または所望の用途に相応しいその他のいずれかのセンサを含む、あらゆる種類のセンサとすることができる。
【００４０】
図２は、本発明による光トランシーバの一例の側断面図である。図示の光トランシーバは、全体として４０で示されており、光送信器４４の上に位置する光検出器４２を含み、双方とも共通光軸４６に沿って位置合わせされている。光検出器４２は、好ましくは、第１波長および／または波長範囲の光を吸収し、一方、第２波長および／または波長範囲の光を通過させる。光送信器４４は、好ましくは、第２波長および／または波長範囲の光を送信し、その光は光検出器４２を通過して、光トランシーバ５０の上面に抜ける。図示の実施形態では、入射光ビームおよび出射光ビーム双方共、光トランシーバ４０の上面側を通過する。
【００４１】
多数の半導体材料のうちの任意の材料により製造された、任意の適切な光送信器４４を使用してもよいが、図２に示す光送信器４４は、平面電流誘導ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ上面放出垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）である。図示のＶＣＳＥＬ４４は、ｎ−ドープ・ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板４８上に形成されている。基板４８の底面にはｎ−コンタクト層５０が設けられている。ｎ−型ミラー・スタック５２が基板４８上に形成されている。ｎ−型ミラー・スタック５２は、好ましくは、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ:Distributed Bragg Reflector）であり、ドープしたＡｌＧａＡｓのアルミニウムの留分が高いものと低いものを交互に配した周期的な層を含む。
【００４２】
ｎ−型ミラー・スタック５２の上に、活性領域５４が示されている。活性領域５４は、好ましくは、多数の量子井戸を有するが、必要に応じて、適切な活性領域であれば任意のものであってもよい。また、活性領域５４は、下位閉じ込め層と上位閉じ込め層とを含むことができる、ｐ−型ミラー・スタック６０が、活性領域５４の上に設けられ、ＶＣＳＥＬ構造が完成する。ｐ−型ミラー・スタック６０は、好ましくは、分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）であり、ドープしたＡｌＧａＡｓのアルミニウムの留分が高いものと低いものを交互に配した周期的な層を含む。ｎ−型ミラー・スタック５２、活性領域５４、およびｐ−型ミラー・スタック６０は、好ましくは、前述の第２波長および／または波長範囲を有する出射光ビームを生成するように構成されている。
【００４３】
光検出器４２が、ＶＣＳＥＬ４４の上に設けられている。図示の光検出器４２は、３つの直列接続されたフォトダイオードを含み、これらはＶＣＳＥＬ４４とも直列に接続されている。図示のように、上位のミラー６０の上に、高濃度ｐ−ドープ・バッファ層６４を配してもよい。
【００４４】
第１フォトダイオードを形成するために、高濃度ｐ−ドープ・バッファ層６４の上に、ｐ−ドープ層６６を配し、次いでｎ−ドープ層６８を配する。ｐ−ドープ層６６およびｎ−ドープ層６８は、双方共ＡｌＧａＡｓとすることができる。Ａｌの留分を調節して、層のバンドギャップを操作し、所望の吸収カットオフ波長を得ることが好ましい。図示の実施形態では、そのカットオフ波長は、ＶＣＳＥＬ４４の発光波長未満である。
【００４５】
逆バイアス・トンネル接合部７０を、第１フォトダイオード上に配する。トンネル接合部７０は、高濃度であるが逆にドープした２つの隣接する層を含み、急峻な接合部を形成して狭い空乏層を生成し、比較的低い逆バイアス電流であっても十分なトンネリング電流を可能にしている。図示の実施形態では、トンネル接合部７０の最下層はｎ−型であり、最上層はｐ−型である。ｎ−型の最下層は、第１フォトダイオードのｎ−ドープ層６８と良好な電気的接触を行い、ｐ−型最上層は、第２フォトダイオードのｐ−ドープ層７２と良好な電気的接触を行う。
【００４６】
一旦トンネル接合部７０が形成されると、ｐ−ドープ層７２が配され、次いでｎ−ドープ層７４が配されて、第２フォトダイオードを形成する。トンネル接合部７０は、第１フォトダイオードと第２フォトダイオードとの間に直列接続を形成する。第１フォトダイオードと同様に、ｐ−ドープ層７２およびｎ−ドープ層７４の双方は、ＡｌＧａＡｓとすることができる。Ａｌの留分を調節して、層のバンドギャップを操作し、第１フォトダイオードと同じカットオフ波長を得ることが好ましいが、これは全ての実施形態において必須ではない。次いで、更に別のトンネル接合部７６を形成し、次いでｐ−ドープ層７８およびｎ−ドープ層８０を形成して、第３フォトダイオードを形成する。
【００４７】
使用中では、第１波長および／または波長範囲を有する入射光ビーム８４が、光トランシーバ４０の上面に供給される。第１、第２、および第３フォトダイオードの各々を操作して、入射光ビーム８４の第１波長および／または波長範囲の少なくとも一部を吸収するようにすることが好ましい。ＶＣＳＥＬのｐ−型ミラー・スタック６０は、第１波長および／または波長範囲について少なくとも部分反射性を有することが好ましい。従って、第１、第２、および第３フォトダイオードによって吸収されない光の少なくとも一部は反射され、８６に示すようにフォトダイオードを介して戻っていく。第１、第２、および第３フォトダイオードの厚さを調節して、各フォトダイオードが入射光ビーム８４および８６からほぼ同じエネルギーを吸収するようにすることが好ましい。一つの実施形態では、第１、第２、および第３フォトダイオードの厚さは、８０８ミクロンの吸収波長に対して、それぞれ、約０．３０、０．２７、および０．２３ミクロンである。上位コンタクト層８２を配して、第３フォトダイオードのｎ−型層に対する電気接続を形成する。構造４０の上に１つ以上の１／４波長酸化物または窒化物層（図示せず）を配して、反射を減らし、光トランシーバ４０を保護するのに役立てることができる。
【００４８】
例示の一つの実施形態では、ＶＣＳＥＬ４４の電流アパーチャを規定し易くするために、１つ以上のトレンチ９６ａ〜９６ｄをエッチングし、第１、第２、および第３フォトダイオードを貫通させて、実施形態によっては、それらのトレンチをＶＣＳＥＬ４４の上位ミラー内まで到達させてもよい。これは、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etch ）によって行うことができるが、適切なパターニング方法であればいかなるものであっても用いることができる。選択的な横方向酸化を容易にするために、ＶＣＳＥＬ４４の上位ＤＢＲミラーの１つ以上の周期的な層には、他の周期的な層に対して、高いＡｌ濃度を与える。このような１つの層９０を図２に示す。１つ以上のトレンチ９６ａ〜９６ｄを通じて酸化環境に晒された場合、層９０が横方向に選択的に酸化され、ＶＣＳＥＬ４４の電流アパーチャ９２が形成される。横方向酸化の範囲は、層９０の酸化環境への露出時間を制御することによって制御することができる。見てわかるように、露出時間は、所望の電流アパーチャ９２が残留するように制御することが好ましい。一つの実施形態では、ＶＣＳＥＬ４４の電流アパーチャ９２は、約５から１０ミクロンの直径を有する。
【００４９】
図示の実施形態では、第１、第２、および第３フォトダイオードの横方向寸法は、ＶＣＳＥＬ４４の光キャビティ９２の横方向寸法よりも大きい。図示の実施形態では、第１、第２、および第３フォトダイオードの横方向寸法は、１００から２００ミクロン程度とすればよく、一方ＶＣＳＥＬ４４の光キャビティの横方向寸法は、５から１０ミクロン程度とすればよい。例えば、１００ミクロンの直径を有する光ファイバを光トランシーバ４０の上に配置すると、第１、第２、および第３フォトダイオードの横方向寸法は、レンズまたはその他の光集中素子を必要とせずに、入射光ビームの多くを吸収するには十分な広さとなる。更に、光ファイバの第１、第２、および第３フォトダイオードに対する位置合わせは、難しくもなければ、重要でもない。同様に、ＶＣＳＥＬ４４の光キャビティ９２は、光ファイバの直径に対して比較的小さいので、ＶＣＳＥＬ４４が生成する出射光ビーム９３の多くは、レンズやその他の光集中素子を必要とせずに、光ファイバによって捕獲される。つまり、効率的かつ費用効果的な光トランシーバ４０を提供することができる。
【００５０】
実施形態によっては、トレンチ９６ａ〜９６ｄの深さが約１から２ミクロンに過ぎない場合もある。次いで、構造４０上に金属層を堆積して、トレンチ９６ａおよび９６ｄのようなトレンチの少なくとも一部を充填し、ＶＣＳＥＬ４４の上位ミラー６０に対する電気的接続を形成する。金属層が光検出器４２の種々の中間層と電気的に接触するのを防止するために、金属層を充填したトレンチを最初に、９５ａおよび９５ｂに示すように、誘電体層でライニングするとよい。以下で更に説明するが、これらの電気接続は、直列接続した第１、第２、および第３フォトダイオードによって生成される電位全てを他のデバイスまたは構造に供給することが望ましい場合に有用となり得る。
【００５１】
図３は、図２の光トランシーバの一例の上面図である。図３は、トレンチ９６ａ〜９６ｄを含む光検出器４２の上面、およびＶＣＳＥＬ４４の層９０の横方向酸化の横方向の広がりを示す。また、光検出器４２の上面に電気接続を形成するために用いた金属コンタクトも示す。
【００５２】
図示の光検出器４２の外側境界は、９６ａおよび９６ｄで纏めて示す、外側トレンチによって規定されている。外側トレンチは、光検出器４２を、同じ基板上に形成されている他の光検出器またはデバイスから電気的に絶縁するのに役立つ。また、外側トレンチは、検出器の総容量を低く抑えるのにも役立つ。図示の外側トレンチの形状は円形であるが、他の形状も使用可能である。９６ｂおよび９６ｃで纏めて示す内側トレンチの形状も円形であり、外側トレンチから内側に向かって離間されている。内側トレンチには、必要に応じて、酸化物またはその他の誘電体を充填してもよい。
【００５３】
図３に図示の実施形態では、内側トレンチ９６ｂおよび９６ｃは、ブリッジ１１０ａ〜１１０ｄのように、１つ以上のブリッジを含む。ブリッジ１１０ａ〜１１０ｄは、内側トレンチの内側に位置する光検出器の部分と、内側トレンチと外側トレンチとの間に位置する光検出器の部分との間に電気接続を設ける。このように設けられると、金属コンタクト１０４は、内側トレンチと外側トレンチとの間に位置する光検出器の部分のみに広がって、これと電気接続を形成することができる。ブリッジ１１０ａ〜１１０ｄが設けられない場合は、必要に応じて、内側トレンチを横切って金属トレースを配することにより、内側トレンチの内側に位置する光検出器の部分への電気接続を形成することができる。見てわかるように、光検出器４２は、ＶＣＳＥＬ４４の光キャビティ９２よりも比較的大きな面積を覆うことができる。
【００５４】
外側トレンチおよび内側トレンチを酸化環境に晒すと、ＶＣＳＥＬ４４の層９０（図２参照）が横方向に選択的に酸化され、電流または光アパーチャ９２を形成する。横方向酸化の範囲を破線１０２および１０８で示す。図示の実施形態では、ＶＣＳＥＬ４４の層９０は、外側トレンチから破線１０２まで外方に酸化され、外側トレンチから内側トレンチに向かって内方に酸化されている。同様に、ＶＣＳＥＬ４４の層９０は、内側トレンチから外側トレンチに向かって外方に酸化され、内側トレンチから破線１０８に向かって内方に酸化されている。破線１０８は、ＶＣＳＥＬ４４の電流アパーチャ９２の輪郭を示す。一つの実施形態では、電流アパーチャ９２は、約５から１０ミクロンの直径を有し、低パワーＶＣＳＥＬ送信器となる。
【００５５】
実施形態によっては、内側および外側トレンチに酸化物またはその他の絶縁材料を充填するものもある。他の実施形態では、内側および／または外側トレンチのように、いくつかのトレンチのうちの少なくとも一部の中に、金属層（図３には示されていない）を堆積し、ＶＣＳＥＬ４４の上位ミラー６０に対する電気接続を形成することもできる。金属層を配する場合、最初に誘電体層を配すれば、金属層が光検出器４２の種々の中間層と電気的に接触するのを防止することができる。以下で更に説明するが、この電気接続は、第１、第２、および第３フォトダイオードの直列接続によって発生する電位全体を、他のデバイスまたは構造に使用可能にすることが望ましいときには有用となり得る。同様に、実施形態によっては、３つの電気コンタクト全てが、上面上で別個に利用可能となるように、適切なトレンチおよび金属コンタクトを配することができ、例えば、不透明または透明基板のいずれかに対するフリップ・チップ接合を可能にする。
【００５６】
図４は、光トランシーバの上面において３つの電気コンタクト全てを使用可能とするのに適切なトレンチおよび金属パッドの一例を含む、光トランシーバの一例の側断面図である。図示の光トランシーバは、全体として１１２で示されており、図２を参照しながら先に示し説明したものと同様である。図示の光トランシーバは、光送信器４４の上に位置する光検出器４２を含み、双方とも共通の光軸４６に沿って位置合わせされている。図示の実施形態では、光検出器４２は第１波長および／または波長範囲の光を吸収し、一方、第２波長および／または波長範囲の光を通過させる。光送信器４４は、第２波長および／または第２波長範囲の光を送信し、その光は光検出器４２を通過して、光トランシーバ４０の上面から出射する。図示の実施形態では、入射光ビームおよび出射光ビームの双方は、光トランシーバ４０の上側を通過する。
【００５７】
図２における場合と同様、１つ以上のトレンチ１１４ａ〜１１４ｆをエッチングし、光検出器を貫通させて、実施形態によっては、それらのトレンチを光送信器４４の上位ミラーの中まで到達させてもよい。これは、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）で行うことができるが、適切なパターニング方法であればいかなるものであっても使用可能である。実施形態によっては、選択的な横方向酸化を促進するために、光送信器（例えば、ＶＣＳＥＬ）４４の上位ＤＢＲミラーの周期的な層の１つ以上には、他の周期的な層よりも高いＡｌ濃度を与える。このような１つの層９０を図４に示す。１つ以上のトレンチ１１４ａ〜１１４ｆを通じて酸化環境に晒されると、層９０は、横方向に選択的に酸化され、ＶＣＳＥＬ４４の電流アパーチャ９２が形成される。横方向酸化の範囲は、層９０の酸化環境への露出時間を制御することによって、制御することができる。見てわかるように、露出時間は、所望の電流アパーチャ９２が残留するように制御することが好ましい。一つの実施形態では、ＶＣＳＥＬ４４の電流アパーチャ９２は、約５から１０ミクロンの直径を有する。
【００５８】
図示の実施形態では、光検出器４２の横方向寸法は、ＶＣＳＥＬ４４の光キャビティ９２の横方向寸法よりも大きい。例えば、光検出器の横方向寸法は、１００から２００ミクロン程度とすることができ、一方、ＶＣＳＥＬ４４の光キャビティの横方向寸法は５から１０ミクロン程度とすることができる。例えば、１００ミクロンの直径を有する光ファイバを光トランシーバ１１２の上に配置すると、光検出器４２の横方向寸法は、場合によってはレンズやその他の光集中素子を必要とすることなく、入射光ビームの多くを吸収するのに十分な広さとすることができる。更に、光ファイバの光検出器４２に対する位置決めは、難しくもなければ、重要でもない。同様に、光送信器４４の光キャビティ９２が光ファイバの直径に対して比較的小さいので、光送信器４４が生成する出射光ビームの多くは、光ファイバによって捕獲することができ、場合によっては、レンズやその他の光集中素子を必要としない。つまり、効率的かつ費用効果的な光トランシーバ１１２を提供することができる。
【００５９】
実施形態によっては、トレンチ１１４ａ〜１１４ｆの深さがわずか１から２ミクロン程度でよいものもある。更に具体的には、トレンチ１１４ｃおよび１１４ｄを配するとき、その深さを、層９０を超えて延びるように十分深くすることによって、層９０を横方向に選択的に酸化して、光送信器４４の電流アパーチャ９２を形成できるようにしてもよい。トレンチ１１４ｂおよび１１４ｅを配するとき、その深さを、金属層またはプラグ１１６ｂおよび１１６ｃをそれぞれ介して光送信器４４の上位ミラー６０に電気的に接続するように、十分深くまで達するようにしてもよい。トレンチ１１４ｂおよび１１４ｅを配するとき、その深さを、前述のような横方向への層９０の選択的な酸化を促進するように、層９０を超えて十分深くまで達するようにしてもよい。実施形態によっては、トレンチ１１４ｂおよび１１４ｅがトレンチ１１４ｃおよび１１４ｄの機能を実行することができ、従って、トレンチ１１４ｃおよび１１４ｄは不要、あるいは望ましくないとも言えることが考えられる。また、実施形態によっては、光送信器４４の上位ミラー６０との電気接続を形成するために、トレンチ１１４ｂおよび１１４ｅのうちの一方のみが必要であると考えられる。
【００６０】
トレンチ１１４ａおよび／または１１４ｆを、金属層またはプラグ１１６ａおよび／または１１６ｆをそれぞれ介して光送信器４４の下位ミラー５２と電気接続を形成するために設けることができる。見てわかるように、金属層またはプラグ１１６ａ〜１１６ｄは、デバイス１１２の上から到達可能な、光送信器４４の下位ミラー５２および上位ミラー６０に電気接続を設けることができる。また、金属層またはプラグ１１６ｂおよび１１６ｃも、デバイス１１２の上から到達可能な光検出器４２の底面への電気接続を設けることができる。金属層が光検出器４２の種々の中間層と電気接続を形成するのを防止するために、１１５ａ、１１５ｂ、１１５ｃおよび１１５ｆで示すように、金属層が充填されているトレンチには最初に誘電体層でライニングするとよい。
【００６１】
金属パッド１１８ａ〜１１８ｄを、金属層またはプラグ１１６ａ〜１１６ｄそれぞれへの容易な到達を促進するために設けることができる。金属パッド１１８ｅも、光検出器４２の上面への電気接続を容易にするために設けることができる。尚、パッド１１８ａ〜１１８ｃの１つ以上を１つ以上の離れた場所に配置し、１つ以上の金属トレース等を通じて対応する金属パッド１１８ａ〜１１８ｅに電気的に接続してもよいことが考えられる。見てわかるように、図示の実施形態では、光検出器４２および光送信器４４の電気的接続の全てが、デバイス１１２の上面上で別個に使用可能であり、例えば、必要に応じて、他の基板またはデバイスへのフリップ・チップ接合を可能にする。
【００６２】
図５は、図２に示した光トランシーバの一例について、吸収率対波長の関係のシミュレーション結果を示すグラフである。光検出器を備えたＶＣＳＥＬ４４の吸収率を線１１９で示す。先に示したように、光検出器は、好ましくは、第１波長および／または波長範囲を有する光を吸収するように構成されている。図５に示すグラフでは、線１２０で示すように、予測第１波長は約８０８ｎｍに対応する。見てわかるように、光トランシーバの吸収率は、約７５０ｎｍから約８１５ｎｍではかなり高く、約７９５ｎｍにピークがある。最適な設計の場合は、ピークは、正に予測した第１波長に位置していてもよいが、温度ずれを補償するために、オフセットが望ましい場合もある。吸収率は、約８２０ｎｍにおいて急峻なカットオフを有する。カットオフ波長は、前述のように、光検出器４２の種々の層において用いられているＡｌの留分を調節することによって制御可能である。光検出器のないＶＣＳＥＬ４４の吸収率は、線１２２で示されている。見てわかるように、光検出器は、約７７５ｎｍから８１５ｎｍの範囲において吸収率が大幅に増加する。この範囲には、約８０８ｎｍの予測第１波長が含まれる。
【００６３】
図６は、図２に示した光トランシーバの一例について、反射率対波長の関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図６からわかるように、光トランシーバ（例えば、光検出器を有するＶＣＳＥＬ４４）の反射率１３１は、約７５０ｎｍから約８１５ｎｍではかなり低く、約７９５ｎｍにおいて谷がある。反射率には、約８２０ｎｍにおいて急激な増加がある。先に注記したように、カットオフ波長は、光検出器４２の種々の層におけるＡｌ留分を調節することによって制御可能である。光検出器がないＶＣＳＥＬ４４の反射率を線１２６で示す。見て分かるように、光検出器は、約７７５ｎｍから８１５ｎｍの範囲において、反射率が大幅に低下している。この範囲には、約８０８ｎｍの予測第１波長１２０が含まれる。また、光検出器は、約８２０ｎｍよりも上の波長では、光トランシーバの反射率にさほど影響を及ぼさない。
【００６４】
ＶＣＳＥＬの共振波長は、反射率曲線における瘤（bump) １３０に対応する。見て分かるように、ＶＣＳＥＬ４４の発光波長は約８３０ｎｍであり、これは光検出器の吸収における急峻なカットオフよりも上である。このように、ＶＣＳＥＬの発光波長は、異なる（例えば、第２）波長または波長範囲である。これは先に説明した通りである。
【００６５】
図７は、図３に示した光トランシーバの一例について、反射率および吸収率の和に対する波長の関係を示すグラフである。検出器を有するＶＣＳＥＬの反射率および吸収率の和を線１３７で示し、検出器がないＶＣＳＥＬの反射率および吸収率の和を線１３９で示す。見て分かるように、反射率は、関連する波長範囲全域にわたって、ほぼ排他的に吸収率と入れ替わり、これによって効率的な光トランシーバ・デバイスが得られる。また、図７は、実質的に全ての入射光が、関連する波長範囲にわたって反射されるかまたは吸収されるかのいずれかであることも示す。このため、この構造の深い位置では、殆どの光または全ての光が透過せず、失われない。
【００６６】
図８は、本発明による光トランシーバ１４０の別の一例の側断面図である。この実施形態の一例では、光送信器１４２は、光検出器１４４から遠ざかる方向に（例えば、基板を通って）光ビーム１４６を送信する。即ち、入射光ビーム１４８および出射光ビーム１４６は、光トランシーバ１４０の共通面を通過しない。この実施形態では、光送信器１４２の発光波長は、基板１５０を通過できることが好ましい。そのように設けると、光検出器１４４を、前述のような第２波長および／または波長範囲の光を通過させる材料および／または材料系で形成する必要はない。代わりに、光検出器１４４によって検出する第１波長および／または波長範囲は、光送信器１４２によって送信する第２波長および／または波長範囲に対して、独立して制御することができる。
【００６７】
図９は、本発明による光トランシーバ１６０の更に別の一例の側断面図である。この実施形態の一例では、光送信器１６２が光検出器１６４の上に配置されている。この実施形態では、光送信器１６２を、第１波長および／または波長範囲の入射光ビーム１６６の少なくとも一部を光検出器１６４まで通過させる材料および／または材料系で形成すればよい。しかしながら、光検出器１６４は、第２波長および／または波長範囲の出射光ビーム１６８を通過させる材料および／または材料系で形成する必要はない。むしろ、光送信器１６２は、直接に出射光ビームを上に向けて、光検出器１６４から遠ざかるように送信する。この実施形態の一例は、入射光ビーム１６６が、高パワーの９８０ｎｍレーザのような、高パワー・レーザによって供給されるときに特に有用であると考えられる。９８０ｎｍの光ビームは、光送信器１６２を通過し、光検出器１６４によって吸収される。実施形態によっては、９８０ｎｍミラーを光検出器１６４の下に設けて、吸収されず光検出器１６４を通過した光の少なくとも一部を反射するようにするとよい場合もある。
【００６８】
また、図９には、ＶＣＳＥＬ１６２の電流アパーチャを規定するための別の方法も示されている。この実施形態では、深いＨ＋インプラントを用いて絶縁領域１７０を作成する。絶縁領域１７０は、ＶＣＳＥＬ１６２の活性領域を通過する電流のエリアを制限する。図９の実施形態の一例では深いＨ＋インプラントを用いたが、本明細書に記載する種々の実施形態では、例えば、利得誘導、酸化物閉じ込め、メサ閉じ込め、またはその他のいずれかの手段を含む任意の種類の電流および／または電界閉じ込めを用いてもよいと考えられる。
【００６９】
図１０は、本発明による光トランシーバおよびセンサの一例を示す回路図である。図示の光トランシーバは、第１フォトダイオード２００、第２フォトダイオード２０２、第３フォトダイオード２０４、および光送信器２０６を含む。第１フォトダイオード２００、第２フォトダイオード２０２、および第３フォトダイオード２０４は、図示のように、直列に接続されている。光送信器２０６も、第３フォトダイオード２０４に直列に接続されている。
【００７０】
図示の実施形態では、トランジスタ２０８が光送信器２０６に直列に接続されている。トランジスタは、エンハンスメント型またはデプレッション型の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor ）であり、ドレイン２１０、ソース２１２、およびゲート２１４を有することができる。図示の実施形態では、ＦＥＴ２０８のゲートはセンサ２１６によって制御される。センサ２１６は、例えば、ＲＦコイル、化学センサ、温度センサ、圧力センサ、または所望の用途に相応しいその他の任意のセンサとすることができる。
【００７１】
使用中、第１波長および／または波長範囲を有する入射光ビームは、少なくとも部分的に、第１フォトダイオード２００、第２フォトダイオード２０２、および第３フォトダイオード２０４によって吸収され得る。これによって、ノード２２０とノード２２２との間に電圧が生成され得る。この電圧は、光送信器２０６およびＦＥＴ２０８に供給され得る。ＦＥＴ２０８がオフになると、第１フォトダイオード２００、第２フォトダイオード２０２、および第３フォトダイオード２０４により生成された電圧の殆どまたは全てが、ＦＥＴ２０８では低下するが、光送信器２０６では低下しない。言い換えると、ＦＥＴ２０８は第１フォトダイオード２００、第２フォトダイオード２０２、および第３フォトダイオード２０４により生成された光電流が光送信器２０６を通過するのを防止することができる。
【００７２】
しかしながら、センサ２１６がＦＥＴ２０８をオンにすると、第１フォトダイオード２００、第２フォトダイオード２０２、および第３フォトダイオード２０４により生成された電圧の少なくとも一部は、光送信器２０６に供給される。言い換えると、ＦＥＴ２０８がオンになると、ＦＥＴ２０８は、第１フォトダイオード２００、第２フォトダイオード２０２、および第３フォトダイオード２０４により生成された光電流の少なくとも一部が光送信器２０６を通過することを可能にする。これにより、光送信器２０６は出射光ビームを供給することができ、好ましくは、出射光ビームは、第２波長および／または波長範囲を有する。
【００７３】
見てわかるように、第１フォトダイオード２００、第２フォトダイオード２０２、および第３フォトダイオード２０４は、入射光ビームの光パワーの少なくとも一部を電力に変換するために用いられ、その電力の少なくとも一部は、光送信器２０６が出射光ビームを送信するために用いられ得る。図示した実施形態の一例では、センサは、第１フォトダイオード２００、第２フォトダイオード２０２、および第３フォトダイオード２０４により生成された電力の使用を全く必要としなくてもよい。３つの直列接続したフォトダイオードを示したが、適切であれば、任意の数のフォトダイオードでも用いてもよいと考えられる。
【００７４】
図１１は、本発明の別の実施形態による、光トランシーバ、制御装置、および１つ以上のセンサの一例を示す回路図である。図示の光トランシーバは、第１フォトダイオード２３０、第２フォトダイオード２３２、第３フォトダイオード２３４、および光送信器２３６を含む。第１フォトダイオード２３０、第２フォトダイオード２３２、および第３フォトダイオード２３４は、図示のように、直列に接続されている。また、光送信器２３６も第３フォトダイオード２３４に直列に接続されている。
【００７５】
図１０に示した実施形態と同様、トランジスタ２３８は、光送信器２３６に直列に接続され得る。トランジスタは、ドレイン２４０、ソース２４２、およびゲート２４４を有することができる。図示の実施形態では、ＦＥＴ２３８のゲートは、センサ／制御ブロック２４６によって制御される。センサ／制御ブロック２４６は、制御回路、および１つ以上のセンサを含むことができる。例示のセンサには、例えば、ＲＦコイル、化学センサ、温度センサ、圧力センサ、または所望の用途に相応しいその他の任意のセンサが含まれる。
【００７６】
使用中、第１波長および／または波長範囲を有する入射光ビームは、第１フォトダイオード２３０、第２フォトダイオード２３２、および第３フォトダイオード２３４によって少なくとも部分的に吸収され得る。これによって、ノード２５０とノード２５２との間に電圧を発生し得る。この電圧は、光送信器２３６およびＦＥＴ２３８に供給される。ＦＥＴ２３８がオフになると、第１フォトダイオード２３０、第２フォトダイオード２３２、および第３フォトダイオード２３４により生成された電圧は、ＦＥＴ２３８では低下するが、電流が流れていなければ電圧降下を有さない光送信器２３６では低下しない。言い換えると、ＦＥＴ２３８は、第１フォトダイオード２３０、第２フォトダイオード２３２、および第３フォトダイオード２３４により生成された光電流が光送信器２３６を通過するのを防止しようとする。しかしながら、センサ／制御ブロック２４６がＦＥＴ２３８をオンにすると、第１フォトダイオード２３０、第２フォトダイオード２３２、および第３フォトダイオード２３４により生成された電圧の少なくとも一部が光送信器２３６に供給される。言い換えると、ＦＥＴ２３８がオンになると、ＦＥＴ２３８は、第１フォトダイオード２３０、第２フォトダイオード２３２、および第３フォトダイオード２３４により生成された光電流の少なくとも一部が光送信器２３６を通過することを可能にする。これにより、光送信器２３６は出射光ビームを供給することができ、好ましくは、出射光ビームは第２波長および／または波長範囲を有する。
【００７７】
センサ／制御ブロック２４６は、破線で示すように、ノード２５０および２５２に接続され得る。こうして、センサ／制御ブロック２４６は、ノード２５０とノード２５２との間の電圧の差を受けることができ、この電圧を用いて、センサ／制御ブロック２４６に給電することができる。センサ／制御ブロック２４６に供給された電力を用いて、センサ／制御ブロック２４６は、ＦＥＴ２３８のゲート２４４を選択的に制御することが可能な回路またはその他のロジックを含むことができる。
【００７８】
図１２は、本発明による光トランシーバ、制御装置、および１つ以上のセンサの更に別の一例を示す回路図である。図示の光トランシーバは、第１フォトダイオード２６０、第２フォトダイオード２６２、第３フォトダイオード２６４、および光送信器２６６を含む。第１フォトダイオード２６０、第２フォトダイオード２６２、および第３フォトダイオード２６４は、図示のように、直列に接続されている。光送信器２６６は、第３フォトダイオード２６４に直列に接続されている。
【００７９】
図１０および図１１に示した実施形態と同様に、トランジスタ２６８が光送信器２６６と直列に接続されている。そのトランジスタは、ドレイン２７０、ソース２７２、およびゲート２７４を有し得る。図示の実施形態では、ＦＥＴ２６８のゲート２７４は、センサ／制御ブロック２７６によって制御される。センサ／制御ブロック２７６は、制御回路および１つ以上のセンサを含み得る。例示のセンサには、例えば、ＲＦコイル、化学センサ、温度センサ、圧力センサ、または所望の用途に相応しいその他の任意のセンサが含まれる。
【００８０】
使用中、第１波長および／または波長範囲を有する入射光ビームは、第１フォトダイオード２６０、第２フォトダイオード２６２、および第３フォトダイオード２６４によって少なくとも部分的に吸収され得る。これによって、ノード２８０とノード２８２間に電圧が生成され得る。この電圧は、光送信器２６６およびＦＥＴ２６８に供給される。ＦＥＴ２６８がオフになると、第１フォトダイオード２６０、第２フォトダイオード２６２、および第３フォトダイオード２６４により生成された電圧の殆どまたは全てがＦＥＴ２６８では降下するが、光送信器２６６では降下しない。言い換えると、ＦＥＴ２６８は、第１フォトダイオード２６０、第２フォトダイオード２６２、および第３フォトダイオード２６４により生成された光電流が、光送信器２６６を通過するのを防止しようとする。しかしながら、センサ／制御ブロック２７６がＦＥＴ２６８をオンにすると、第１フォトダイオード２６０、第２フォトダイオード２６２、および第３フォトダイオード２６４により生成された電圧の少なくとも一部は、光送信器２６６に供給される。言い換えると、ＦＥＴ２６８がオンになると、ＦＥＴ２６８は、第１フォトダイオード２６０、第２フォトダイオード２６２、および第３フォトダイオード２６４により生成された光電流の少なくとも一部が、光送信器２６６を通過することを可能にする。これにより、光送信器２６６は、出射光ビームを供給することができ、好ましくは、出射光ビームは第２波長および／または波長範囲を有する。
【００８１】
この実施形態では、センサ／制御ブロック２７６はノード２８０および２８４に接続されている。この電気接続は、直列接続された第１、第２、および第３フォトダイオードにより生成された電位の全てを、センサ／制御ブロック２７６に利用可能にすることが好ましいときには有用であると考えられる。センサ／制御ブロック２７６は、センサ／制御ブロック２７６の給電にこの電圧を用いる。センサ／制御ブロック２７６に供給された電力を用いて、センサ／制御ブロック２７６は、ＦＥＴ２６８のゲート２７４を選択的に制御するために用いることが可能な回路またはその他のロジックを含むことができる。
【００８２】
実施形態によっては、センサ／制御ブロック２７６は、コンデンサ２９０のような、エネルギー蓄積デバイスを含んでいてもよい。センサ／制御ブロック２７６は、第１フォトダイオード２６０、第２フォトダイオード２６２、および第３フォトダイオード２６４により生成された光電流の少なくとも一部をコンデンサ２９０に導くことができ、コンデンサ２９０間の電圧を上昇させる。センサ／制御ブロック２７６が、光送信器２６６をオンにする時刻であると判断した場合、センサ／制御ブロック２７６はコンデンサ２９０をＦＥＴ２６８のゲート２７４に接続することができる。必要に応じて、コンデンサ２９０に蓄積されたエネルギーを用いて、ＦＥＴ２６８は駆動され得る。また、これを用いれば、それ以外で得られるよりも高いピーク電力をセンサに供給することができる。
【００８３】
実施形態によっては、制御信号またはその他の信号をセンサ／制御ブロック２７６に供給することが望ましい場合もある。一つの実施形態では、１つ以上の制御信号またはその他の信号は、入射光ビーム内で供給され得る。１つ以上の制御信号またはその他の信号は、例えば、光パワー信号上での変調であってもよければ、あるいは多少異なる波長で供給されてもよい。いずれの場合であっても、第１フォトダイオード２６０、第２フォトダイオード２６２、および第３フォトダイオード２６４は、必要に応じて、光パワー信号および１つ以上の制御信号または他の信号の双方を、検出することができる。センサ／制御ブロック２７６は、入射光ビームから、必要に応じて、１つ以上の制御信号またはその他の信号を抽出する回路を含むことができる。
【００８４】
図１３は、本発明による光トランシーバおよび制御装置の一例を示す回路図である。図示の光トランシーバは、第１フォトダイオード２９０、第２フォトダイオード２９２、第３フォトダイオード２９４、および光送信器２９６を含む。第１フォトダイオード２９０、第２フォトダイオード２９２、および第３フォトダイオード２９４は、図示のように、直列に接続されている。
【００８５】
この実施形態では、制御ブロック２９８がノード３００および３０２に接続されている。制御ブロック２９８は、それ自体の電源を有しても、あるいは有していなくてもよい。制御ブロック２９８がそれ自体の電源を有していない場合、直列接続された第１、第２、および第３フォトダイオードにより生成された電位を用いて、制御ブロック２９８に給電することができる。いずれの場合であっても、制御ブロック２９８は、入射光ビームから１つ以上の制御信号またはその他の信号を抽出する回路を有し得る。１つ以上の制御信号またはその他の信号は、１つ以上のセンサまたはその他の宛先に線３０４を通じて供給され得る。
【００８６】
制御ブロック２９８はまた、線３０６を通じて１つ以上の外部信号を受信することができる。その外部信号は、１つ以上のセンサ、またはコンピュータ、電気通信機器の１つ等のようなその他の何らかの信号源によって供給され得る。制御ブロック２９８は、しかるべき電流／電圧を光送信器２９６に印加することにより、１つ以上の外部信号を出射光ビームに変換することができる。好ましくは、第１フォトダイオード２９０、第２フォトダイオード２９２、および第３フォトダイオード２９４は、前述のように、光送信器２９６と共通の光軸に沿って配置される。
【００８７】
図１４は、本発明による光トランシーバおよび制御装置の別の一例を示す回路図である。この実施形態は、制御信号により電流が光送信器から回避するように導かれることを除いて、図１１を参照して先に示し説明したものと同様である。図示の光トランシーバは、第１フォトダイオード２５４ａ、第２フォトダイオード２５４ｂ、第３フォトダイオード２５４ｃ、および光送信器２５６を含む。第１フォトダイオード２５４ａ、第２フォトダイオード２５４ｂ、および第３フォトダイオード２５４ｃは、図示のように、直列に接続されている。ＶＣＳＥＬのような光送信器２５６もまた、第３フォトダイオード２５４ｃに直列に接続されている。
【００８８】
図１１に示した実施形態と同様に、トランジスタ２５８のドレインおよびソースは、図示のように、光送信器２５６の間に接続され得る。図示の実施形態では、トランジスタ２５６のゲートは、センサ／制御ブロック２５９によって制御される。センサ／制御ブロック２５９は、制御回路、および１つ以上のセンサを含み得る。例示のセンサには、例えば、ＲＦコイル、化学センサ、温度センサ、圧力センサ、または所望の用途に相応しいその他の任意のセンサが含まれる。
【００８９】
使用中、第１波長および／または波長範囲を有する入射光ビームが、少なくとも部分的にフォトダイオード２５４ａ〜２５４ｃに吸収され、図示の実施形態では、センサ／制御ブロック２５９に電圧を供給して、給電することができる。センサ／制御ブロック２５９は、選択的にトランジスタ２５８をオンにして、電流が光送信器２５６を回避するように導き、出射光ビームを低減または禁止することができる。好ましくは、出射光ビームは、第２波長および／または波長範囲を有する。
【００９０】
尚、図１０から図１４におけるフォトダイオードおよびＶＣＳＥＬの順序は、必要に応じて、逆にしてもよいと考えられる。即ち、フォトダイオードは、回路図において、ＶＣＳＥＬの下に描いてもよい、即ち、配置してもよい。加えて、トランジスタはＦＥＴである必要はなく、むしろ、必要に応じて、バイポーラ接合型トランジスタ（ＢＪＴ：Bipolar Junction Transistor ）またはその他の任意の適切なスイッチング機構であってもよい。
【００９１】
図１５は、本発明による光トランシーバを動作させる方法の一例を示すタイミング図である。この例示の方法では、第１ビーム強度を有する入射光ビームが、ローカル・トランシーバから光媒体を通じて遠隔トランシーバに供給される。入射光ビームは、好ましくは、第１波長または波長範囲を有する。遠隔光トランシーバは、入射光ビームを受信し、入射光ビームからのパワーの少なくとも一部を用いて、第２ビーム強度を有する出射光ビームをローカル・トランシーバに返送する。出射光ビームは、好ましくは、第２波長および／または波長範囲を有する。
【００９２】
遠隔光送信器を閾値またはその付近に維持するために、ローカル・トランシーバは、入射光ビームのビーム強度を、出射光ビームの検出ビーム強度が所定レベルに達するまで増大させることができる。一旦これを達成したなら、出射光ビームを遠隔トランシーバによって変調し、光信号を出射光ビームに含ませて供給することができる。
【００９３】
具体的に図１５を参照すると、ローカル・トランシーバは、３３０に示すように、入射光ビームのビーム強度を増大することから開始することができる。遠隔光検出器は、入射光ビームを検出し、最終的に、遠隔光送信器を、閾値３３２のような閾値またはその付近に到達させるために十分な電圧／電流を供給する。次いで、ローカル・トランシーバは、出射光ビームのビーム強度を検出し、遠隔送信器が閾値またはその付近にあるときを判定する。遠隔送信器が閾値またはその付近にあるときは、３３４に示すように、入射光ビームのビーム強度を比較的一定に保持すればよい。
【００９４】
一旦遠隔光送信器が閾値またはその付近になると、遠隔トランシーバは、出射光ビームを変調して、３３６、３３８、および３４０に示すように、光信号を出射光ビームに含ませて供給する。出射光ビームを変調するには、例えば、周波数変調、振幅変調、ディジタル変調、または必要に応じてその他の任意の種類の変調を用いてもよい。
【００９５】
図１６は、本発明による光トランシーバを動作させる方法の別の一例を示すタイミング図である。この例示の方法では、ローカル送信器が、比較的一定のビーム強度３５０を有する入射光ビームを供給する。強度３５０は、遠隔光トランシーバを給電するのに十分であることが好ましい。その場合、遠隔光トランシーバは、信号をローカル・トランシーバに返送するときに、遠隔光送信器にパワーを供給するのみである。遠隔光トランシーバは、出射光ビームを変調し、３５２、３５４、および３５６に示すように、１つ以上の光信号を出射光ビームに含ませて供給する。前述の場合と同様に、出射光ビームを変調するには、例えば、周波数変調、振幅変調、ディジタル変調、または必要に応じてその他の任意の種類の変調を用いてもよい。
【００９６】
図１７は、本発明による光トランシーバを動作させる方法の更に別の一例を示すタイミング図である。この方法は、図１６に示す方法と同様である。即ち、ローカル送信器は、比較的一定なビーム強度を有する入射光ビーム内に光パワー信号を供給する。この強度は、遠隔光トランシーバに給電するには十分であることが好ましい。しかしながら、３６０、３６２、および３６４に示すように、ローカル送信機は、更に、光パワー信号上に１つ以上の制御信号を変調する。遠隔光トランシーバは、光パワー信号および１つ以上の制御信号の双方を検出し、必要に応じて、１つ以上の制御信号を抽出することができる。遠隔光トランシーバもまた、出射光ビームを変調し、３７０、３７２、および３７４に示すように、１つ以上の光信号を出射光ビームに含ませて供給することができる。入射光ビームおよび出射光ビームを変調するには、例えば、周波数変調、振幅変調、ディジタル変調、または必要に応じてその他の任意の種類の変調を用いてもよい。
【００９７】
図１８は、別の光トランシーバの一例を示す模式図であり、この場合、光トランシーバおよび／または光伝送媒体（例えば、ファイバ）の選択されたパラメータまたは特性が検知素子として用いられる。遠隔光トランシーバは、全体として４００で示されている。図示の実施形態では、遠隔光トランシーバ４００は、光検出器および光放出体を含む。これらを纏めて４０２で示す。光ファイバ４０４またはその他の光伝送媒体を設けて、光パワー信号４０８をローカル光トランシーバ（図示せず）から遠隔光トランシーバ４００に送出することができる。光ファイバ４０４は、前述のように、遠隔光トランシーバ４００が供給する光戻り信号４１２を受け入れることもできる。
【００９８】
図示の実施形態では、フィルタ４０６等を、光ファイバ４０４と遠隔光トランシーバ４０２との間に設ける。フィルタ４０６は、１つ以上の環境特性に応じて、光ファイバ４０４と遠隔光トランシーバ４０２との間の光結合を変化させるように構成されていることが好ましい。例えば、温度、圧力、振動、応力、またはその他の何らかの環境特性に応じて、フィルタ４０６の光学的効率が低くなるようであってもよい。例えば、フィルタ４０６は、ある長さの光ファイバ、またはその他の任意の適切な材料でもよく、変化する環境特性を受けたときに光効率に変化を生じさせる。圧力センサとしては、フィルタ４０６をダイアフラム等とすればよい。ダイアフラム等は、圧力変化に晒されたときに、光ファイバ４０４と遠隔光トランシーバ４０２との間の距離、配置、角度、またはその他のパラメータを変化させるように構成されている。距離、配置、および／または角度の変化によって、光ファイバ４０４と遠隔光トランシーバ４０２との間の光結合に変化を生じさせることができる。
【００９９】
使用中、ローカル光トランシーバは、光パワー信号４０８を遠隔光トランシーバ４０２の光検出器に供給することができる。光パワー信号４０８は、実施形態によっては、第１波長である場合もあり得る。前述の場合と同様に、光検出器は、光パワー信号４０８を検出し、電力信号に変換し、これを遠隔光トランシーバ４０２の光放出体に供給することができる。次いで、光放出体は、光戻り信号４１０をローカル光トランシーバに返送することができる。光戻り信号４１０は、第２波長とすることができる。
【０１００】
フィルタ４０６は、１つ以上の環境特性が変化したときに、光ファイバ４０４と遠隔光トランシーバ４０２との間の光結合を変化させることができる。例えば、フィルタ４０６は、温度、圧力、またはその他の何らかの環境特性の変化に応じて、光学的効率を低下させることができる。従って、例えば、温度、圧力、またはその他の環境特性が変化したときに、光戻り信号４１０の一部をフィルタ４０６によって遮断するか、あるいは濾過することができる。光戻り信号４１２の残りの部分は、ファイバ４０４を通じてローカル光トランシーバまで達することができ、その量は所望の環境特性の値によって異なる。この例示の実施形態では、所望の環境特性の大きさは、光戻り信号４１２を検査することによって判定され得ることが分かる。代替として、あるいは追加として、フィルタ４０６は、温度、圧力、振動、またはその他の何らかの環境特性に応じて、光戻り信号４１０の波長および／または位相に変化を起こすこともできる。例えば、所望の環境特性の大きさは、光戻り信号４１２の波長および／または位相を調べることによって判定され得る。光フィルタ４０６は、レーザ波長を高める役割も担うことができ、従って光トランシーバ４０２からの戻り信号に影響を及ぼすことができる。
【０１０１】
別の例示の実施形態では、フィルタ４０６は設けられない。代わりに、遠隔光トランシーバ４０２および／またはファイバ４０４の選択された性能パラメータの変化を用いて、所望の環境特性の大きさを得ることができる。例えば、ＶＣＳＥＬのような光放出体は、起動時閾値、放出波長、放出効率、および／または温度と共に変化するその他のパラメータのように、多数の性能パラメータを有し得る。従って、この例では、遠隔光放出体内およびその周囲における温度の大きさは、光放出体の１つ以上の性能パラメータを監視することによって判定され得る。
【０１０２】
例示の一つの実施形態では、これは、光パワー信号４０８を遠隔光トランシーバ４０２の光検出器に供給することによって遂行され得る。光検出器は、光パワー信号４０８を検出し電力信号に変換することができ、次いで、その電力信号を遠隔光トランシーバ４０２の光放出体に供給することができる。次に、光放出体は、光戻り信号４１０をローカル光トランシーバに返送することができる。遠隔光トランシーバ４０２は、制御回路を含むことができ、この制御回路は、光検出器が供給する電力信号を受け、一定電流を光放出体に供給する。制御回路は、例えば、定電流源を含み得る。定電流源は、光放出体を一定レベルで駆動することができる。遠隔光放出体の放出効率の変化は、温度変化によって生じ、例えば、光戻り信号４１０の出力パワーを変化させる。光戻り信号４１０の出力パワーを監視することによって、遠隔光放出体内およびその周囲の温度を判定することができる。別の実施形態では、遠隔光放出体の波長は温度と共に変化することができる。この実施形態では、光戻り信号４１０の波長を監視すれば、遠隔光放出体内およびその周囲の温度を判定することができる。
【０１０３】
別の例示の実施形態では、遠隔光放出体の起動時閾値は温度またはその他の何らかの環境特性と共に変化し得る。この実施形態では、ローカル光トランシーバは、光パワー信号４０８のパワーを変化させて、遠隔光放出体の起動時閾値を識別することができる。遠隔光放出体の閾値は、例えば、遠隔光放出体が光戻り信号４１０を供給し始めるときの光パワー信号４０８のパワー・レベルに注目することによって判定することができる。遠隔光放出体の閾値を監視することによって、遠隔光放出体内またはその周囲の温度またはその他の環境特性を判定することができる。
【０１０４】
別の例示の実施形態では、遠隔光検出器は、例えば、温度のような所望の環境特性と共に変化する吸収カットオフ波長を提供するように構成され得る。このように構成された場合、温度変化によって、遠隔光検出器が、ローカル光トランシーバによって供給される光パワー信号４０８の減少を検出することができる。次いで、これによって、遠隔光放出体に送出される電力の減少が引き起こされ、光戻り信号４１０のパワー・レベルは低下し得る。このように、光戻り信号４１０の電力レベルを監視することによって、遠隔光検出器内およびその周囲の温度の大きさを判定することができる。
【０１０５】
別の例示の実施形態では、ファイバ４０４の伝送特性を用いて特定の環境特性を検出することもできる。多くの場合、光ファイバの伝送特性は、温度、圧力、応力、屈曲等によって変化する。実施形態によっては、光放出体の放出出力が相対的に一定となるように、光放出体を一定レベルで駆動する。その場合、光戻り信号４１２における変化は、それがいかなるものであれ、ファイバ４０４の伝送特性における変動が原因で発生したと考えられる。実施形態によっては、ファイバ４０４をコイル状にしたり、あるいは測定の感度を高めるために、検知される場所に構成したりする場合もある。次いで、光戻り信号４１２を監視することによって、検知した環境特性の大きさを判定することができる。これらは、単に、遠隔光トランシーバ４０２および／またはファイバ４０４の選択された性能パラメータにおける変化を利用して、遠隔光トランシーバ４０２内またはその周囲における所望の環境特性の大きさを得る方法についての代表例に過ぎない。
【０１０６】
図１９は、光トランシーバの別の一例を示す模式図であり、この場合、蛍光材料４２０が検知素子として用いられている。一つの実施形態では、気体または液体の流れ(flow stream) ４１８を、蛍光材料４２０を通過するように送出する。蛍光材料４２０は、１つ以上の成分が流れの中にある場合、および蛍光材料４２０に所定の波長の光が照射された場合に、蛍光するように構成され得る。遠隔光放出体を用いて、蛍光材料４２０に所定の波長の光４２２を照射することができる。その場合、蛍光材料４２０は、検知する環境特性のレベルに応じて蛍光することができ、次いで、光戻り信号４２４をローカル光トランシーバに戻すことができる。光戻り信号４２４の大きさは、例えば、流れ４１８における１つ以上の成分の濃度の指標を与え得る。遠隔光放出体が供給する所定の波長の光４２２および光戻り信号４２４は、異なる波長とすることができる。成分濃度を測定する場合、例えば、化学評価分析および／またはその他の化学分析を、遠隔光トランシーバ内またはその周囲で行うとよい。
【０１０７】
図２０は、光トランシーバの別の一例を示す模式図であり、この場合、光トランシーバの光放出を用いて１つ以上の環境パラメータを検知する。この例示の実施形態では、遠隔光トランシーバは、２つ以上の方向に光を供給する光放出体を含む。一方の方向では、光４２６を供給して、遠隔光トランシーバ４３０内およびその周囲における１つ以上の環境特性を検知する。他方の方向では、光４２８を光戻り信号として、ファイバ４３２を通じてローカル光トランシーバに供給する。
【０１０８】
使用中、前述の場合と同様、ローカル光トランシーバは、光パワー信号４３４を遠隔光トランシーバに供給することができる。遠隔光トランシーバ４３０の遠隔光検出器は、光パワー信号４３４を検出し、電力信号に変換することができる。その電力信号は、遠隔光トランシーバ４３０の遠隔光放出体に供給され得る。次いで、遠隔光放出体は、上述のように、両方向に光を供給することができる。
【０１０９】
図示の実施形態では、遠隔光トランシーバ４３０の遠隔光放出体はＶＣＳＥＬである。ＶＣＳＥＬは、通常、２つの対向するミラーを有し、これらがファブリ−ペロー（Fabry-Perot ）キャビティを形成する。この実施形態では、２つの対向するミラーの反射率を、対向するミラーの一方を介して第１光ビームを放出し、他方の対向するミラーを介して第２光ビームを放出するように構成することができる。
【０１１０】
光ビーム４２６のような、第１および第２光ビームのうちの一方は、場合によってはレンズ４３８を通って、反射面４３６に向けて出射される。用途に応じて、任意の適切なレンズまたはレンズ系を用いることもあれば、あるいは全くレンズを用いないこともある。光ビーム４２６は、反射面４３６において反射し、ＶＣＳＥＬに戻って来る。反射光の一部はＶＳＣＥＬに入射し、反射光の相対位相に応じて、ＶＣＳＥＬ内に特定のレベルのノイズ（例えば、干渉）を生じさせる。ＶＣＳＥＬ内におけるノイズ・レベルを、光戻り信号４２８に含めて、ローカル光トランシーバに返送することができる。反射光の相対位相は、ＶＣＳＥＬと反射面４３６との間の距離「ｄ」４４０に関係する。光戻り信号４２８におけるノイズ・レベルを監視することによって、距離「ｄ」４４０の大きさを判定することができる。ノイズ・レベルを一例として示したが、例えば、閾値パワー、波長、効率等を含む、多くのその他の機構も、外部反射器によって操作することができる。
【０１１１】
例示の一つの実施形態では、反射面４３６を圧力検知ダイアフラムに固定することができ、この場合、ダイアフラムは、当該ダイアフラム内およびその周囲の圧力に応じて、ＶＣＳＥＬに向かってまたはこれから遠ざかるように移動する。ダイアフラム内およびその周囲の圧力が変化すると、距離「ｄ」４４０、従って反射光の相対位相も変化する。前述のように、この変化はＶＣＳＥＬ内におけるノイズ・レベルの変化を引き起こし得るものであり、この変化は光戻り信号４２８内に含まれる。光戻り信号４２８におけるノイズ・レベルを監視することによって、距離「ｄ」４４０の大きさ、従ってダイアフラム内およびその周囲の圧力を判定することができる。
【０１１２】
図２１は、光トランシーバの更に別の一例を示す模式図であり、この場合、光トランシーバの光放出を用いて１つ以上のパラメータを検知する。この実施形態は、図２０に関連して示し説明した実施形態と類似しているが、流れ４５０における１つ以上の成分の光学的吸収を利用して、反射光４４８の強度を減衰させるか、あるいはそれ以外の変化を生じさせる。この実施形態では、反射面４５２は移動しても、しなくてもよい。前述の場合と同様、反射光４４８の一部は、遠隔光トランシーバ４５４のＶＣＳＥＬに入射する。ＶＣＳＥＬと反射面４５２との間の距離は、反射光４４８がＶＣＳＥＬにより放出される光とは少なくとも部分的に位相が異なり、従ってＶＣＳＥＬ内に特定のレベルのノイズ（例えば、干渉）を生じさせることができるようにするとよい。次いで、そのノイズ・レベルを、光戻り信号４５６を通じて、ローカル光トランシーバに返送する。この場合も、ノイズ・レベルを一例として示したが、例えば、閾値パワー、波長、効率等を含む、多くのその他の機構を外部反射器によって操作することができる。
【０１１３】
流れ４５０が高濃度の１つ以上の成分を含む場合、反射光４４８が更に多く流れによって吸収され、ＶＣＳＥＬに入射する反射光４４８の強度を低下させることができる。次いで、これによって、ＶＣＳＥＬにおけるノイズ・レベルを低下させることができる。場合によっては、高濃度の１つ以上の成分が、吸収される反射光４４８を減少させることもあり、ＶＣＳＥＬに入射する反射光４４８の強度を高めることができる。次いで、これによって、ＶＣＳＥＬにおけるノイズ・レベルを高めることができる。いずれの場合であっても、ノイズ・レベルの変化、従って１つ以上の成分の濃度を、光戻り信号４５６におけるノイズ・レベルを監視することによって検出することができる。
【０１１４】
ＶＣＳＥＬ自体を用いて反射光における変化を検出する代わりに、別個の遠隔検出器４４９を設けてもよいことも考えられる。別個の遠隔検出器は、反射光４４８の強度、位相、またはその他の何らかの特性の変化を検出することができる。次いで、その検出された変化を光戻り信号４５６に含ませて、ローカル光トランシーバに返送することができる。別個の遠隔検出器は、例えば、図２０および２１に関連して示し説明した実施形態、ならびにその他の実施形態と併せて用いられてもよい。
【０１１５】
図２２は、光トランシーバの別の一例を示す模式図であり、この場合、光トランシーバの光放出を、蛍光材料と共に用いて１つ以上の環境特性を検知する。この実施形態は、図２０および図２１に示した実施形態と類似するが、反射面の代わりに、あるいはこれに加えて、蛍光材料４６０を含む。一つの実施形態では、気体または液体の流れ４６２を、蛍光材料４６０を通過するように送出する。蛍光材料４６０は、１つ以上の成分が流れ４６２の中にある場合、および蛍光材料４６０に所定の波長の光が照射された場合に、蛍光するように構成され得る。遠隔光放出体（例えば、ＶＣＳＥＬ）を用いて、蛍光材料４６０に所定の波長の光４６４を照射することができる。その後、蛍光材料４６０は蛍光し、蛍光光信号を遠隔光トランシーバ４６６に供給することができる。蛍光光信号の大きさは、流れ４６２における１つ以上の成分の濃度の指標を与えることができる。図示の実施形態では、ＶＣＳＥＬが供給する光４６４の所定の波長、および蛍光光信号の波長は、異なるが、これは必須ではない。
【０１１６】
光４６４の所定の波長および蛍光光信号の波長が同一の場合、前述のように、ＶＣＳＥＬ自体が検出器として機能することができる。光４６４の所定の波長と蛍光光信号の波長が異なる場合、別個の遠隔検出器４６８を用いて、蛍光光信号を検出すればよい。いずれの場合であっても、蛍光光信号の大きさを、光戻り信号４７０を通じて、ローカル光トランシーバに供給することができる。この実施形態は、例えば、化学評価分析またはその他の化学分析を遠隔光トランシーバ内またはその周囲で行う場合に用いることができる。
【０１１７】
図２３は、光放出体を用いて、入射光ビームから光パワーを生成すること、および光戻り信号を供給することの双方を行う光トランシーバの一例を示す模式図である。この例示の実施形態では、遠隔光放出体４９８はＶＣＳＥＬであるが、適切な光放出体であれば、他の任意のものを用いてもよいことを想定している。ＶＣＳＥＬが受光した光５００のパワーが、ＶＣＳＥＬ４９８をオンにするのに必要な光パワーよりも低い場合、ＶＣＳＥＬ４９８は少量の電流を供給することができる。光はＶＣＳＥＬ４９８の活性領域に吸収され、少量の電流を生成する。制御ブロック５０６がこの少量の電流をＶＣＳＥＬ４９８から受け取り、遠隔電源５０２を充電することができる。遠隔電源５０２は、例えば、バッテリまたはコンデンサ５０４を含み得る。遠隔電源５０２を、少量の光で連続的に充電してもよいし、あるいは大量の光のパルスでより急速に充電してもよい。遠隔電源５０２は、収集した電荷を蓄積することができ、後にこの電荷を用いてＶＣＳＥＬ４９８を駆動し、光戻り信号５１４を供給することができる。
【０１１８】
実施形態によっては、遠隔センサ５１０を設けて、遠隔センサ５１０内およびその周囲における１つ以上の環境特性を検知することができる場合もある。遠隔電源５０２は、必要に応じて、電力を遠隔センサ５１０に供給することができる。実施形態によっては、制御ブロック５０６、ＶＣＳＥＬ４９８、および／または遠隔センサ５１０が、遠隔電源５０２が供給可能な電圧よりも多くの電圧を必要とする場合があり得る。このような場合、制御ブロック５０６は、チャージ・ポンプ回路、またはその他の回路あるいはデバイスを含むことにより、動作電圧を高くして発生することができる。実施形態によっては、同様のチャージ・ポンプ回路を用いて、遠隔センサ５１０からの信号５１２をＶＣＳＥＬ４９８および／または制御ブロック５０６に送出し、十分な動作電力を発生できるものもある。
【０１１９】
遠隔センサ５１０を設ける代わりに、前述のように、ＶＣＳＥＬ４９８および／またはファイバ５１６の選択された性能パラメータの変化を用いて、所望の環境特性の大きさを与えることができると考えられる。一つの例示の実施形態では、ＶＣＳＥＬ４９８は光パワー信号５００を検出し、これを電流に変換し、次いで、遠隔電源５０２に蓄積する。遠隔電源５０２を十分に充電した後、遠隔電源はＶＣＳＥＬ４９８に、光戻り信号５１４をローカル光トランシーバに返送するのに十分な電流を供給することができる。
【０１２０】
先に注記したように、ＶＣＳＥＬ４９８内またはその周囲における温度変化またはその他の環境特性によって生じるＶＣＳＥＬ４９８の光放出効率の変化によって、光戻り信号５１４の出力パワーが変化する可能性がある。光戻り信号５１４の出力パワーを監視することによって、ＶＣＳＥＬ４９８内およびその周囲における温度またはその他の環境特性を判定することができる。同様に、ＶＣＳＥＬ４９８の波長、閾値および／またはその他の性能特性を用いることにより、ＶＣＳＥＬ４９８内およびその周囲における１つ以上の環境特性を判定することができる。
【０１２１】
図２４は、第１基板６０２上に形成された光検出器および／または光送信器と、第２基板６０４上に形成された制御回路および／またはセンサとを含む、光デバイス６００の一例の模式断面図である。図示の実施形態では、第１基板６０２および第２基板６０４は、互いにほぼ平行に設置され、共通光ビーム軸と交差するように位置付けられている。第１基板６０２上に形成された光検出器および／または光送信器は、図４に関連して先に示し説明したものと同様のものとすればよい。図４に関連して詳細に説明したように、第１基板は、パッド６０６ａおよび６０６ｂのような、１つ以上のパッドを含み、光検出器および／または光送信器の種々の端子に対する電気的接続を提供する。同様に、第２基板６０４も、パッド６０８ａおよび６０８ｂのような、１つ以上のパッドを含み、制御回路の選択された入力および／または出力端子のような、制御回路の選択された回路に対する電気的接続を提供する。図示の実施形態では、第１基板６０２のパッド６０６ａおよび６０６ｂは、それぞれ、第２基板６０４のパッド６０８ａおよび６０８ｂと一直線状、または実質的に一直線状となるように位置付けられている。このように設けると、第１基板６０２および第２基板６０４は、図２４に示すように、互いにフリップ・チップはんだ接合され得る。
【０１２２】
先に詳細に説明したように、制御回路は、光検出器からの少量の電流を受け取り、バッテリ、コンデンサ、あるいはその他の適した電荷またはエネルギー蓄積素子を充電する１つ以上のコンデンサ等を含むことができる。電荷蓄積素子は、少量の光で連続的に充電してもよいし、あるいは大量の光のパルスにより急速に充電してもよい。電荷蓄積素子は、収集した電荷を蓄積し、後に光送信器を駆動して光戻り信号を供給するためにその電荷を用いることができる。電荷蓄積素子を充電し、光送信器を駆動するために用いられる信号は、図２４に示す１つ以上のパッドにおいて表され得る。
【０１２３】
実施形態によっては、第２基板６０４もまた、光学素子６１０のような、１つ以上の光学素子を含む場合がある。１つ以上の光学素子があると、光伝送媒体（例えば、光ファイバ）６２０と第１基板６０２上に形成されている光検出器および／または光送信器との間の光結合を容易にするのに役立つ。その光学素子は、第２基板６０４の表面上または表面内、あるいは第２基板６０４内部に、必要に応じて設けることができる。光学素子は、１つ以上の屈折または回折光学素子のような、任意の種類の光学素子であってもよい。図示の実施形態では、光伝送媒体６２０（例えば、光ファイバ）を、光学接着剤６２２によって第２基板６０４に取り付ける。フリップ・チップはんだ接合を用いる場合、光学素子６１０、第２基板６０４上のセンサおよび／または回路、ならびに第１基板６０２上の光検出器および／または光送信器を全て、製造プロセスの間に自己整合させる。
【０１２４】
見てわかるように、第２基板６０４は、制御装置および／またはセンサを含み、入射光ビーム６１４および／または出射光ビーム６１６が第２基板６０４を必然的に通過するように位置付けられ得る。つまり、第２基板６０４は、少なくとも光ビーム軸周囲の領域では、入射光ビーム６１４および／または出射光ビーム６１６に対して透過的または実質的に透過的であればよい。実施形態によっては、第２基板６０４はシリコン・オン・サファイア（ＳＯＳ：silicon-on-sapphire ）基板を含み、制御装置は、シリコン・オン・サファイア基板のシリコン層内に形成されている制御回路を含む場合もある。場合によっては、入射光ビーム６１４および／または出射光ビーム６１６は、少なくとも制御回路の一部を通過すればよい。他の場合には、制御回路は、入射光ビーム６１４および／または出射光ビーム６１６が制御回路を通過しないように位置することもある。即ち、制御回路は、光ビーム軸に対応する領域内にないシリコン層の部分に形成してもよい。場合によっては、シリコン層を、光ビーム軸に対応する領域から排除または実質的に排除してもよいが、これは全ての実施形態において必要という訳ではない。
【０１２５】
図示の実施形態では、第２基板６０４は、入射光ビーム６１４および／または出射光ビーム６１６に対して透過的または実質的に透過的であれば、いかなる材料または材料系であってもよく、そのような材料または材料系としては、例えば、入射光ビーム６１４および／または出射光ビーム６１６の波長に応じて、シリコン、サファイア、ＧａＰ、あるいはその他の任意の適切な材料または材料系が含まれる。代替として、あるいは追加として、エッチングまたはその他の任意の適切なプロセスによって、光ビーム軸内またはその周囲の領域において、第２基板６０４を貫通する孔またはトレンチを形成してもよい。孔またはトレンチは、特に制御回路および／またはセンサがその領域に設けられていない場合には、第２基板６０４を完全に貫通してもよい。
【０１２６】
先に注記したように、１つ以上のセンサを設けて、周囲環境の１つ以上のパラメータを検知することができる。１つ以上のセンサを、第１基板６０２および／または第２基板６０４上に、あるいは必要に応じて、第１基板および／または第２基板からは分離させて設けることができる。１つ以上のセンサは制御回路と（例えば、電気的および／または光学的に）接続されていることが好ましい。制御回路は、１つ以上のセンサから１つ以上の信号を受け取り、前述のように、対応する信号を光送信器に送信するように指令する。１つ以上のセンサとしては、例えば、１つ以上の温度センサ、圧力センサ、ＰＨセンサ、湿度センサ、化学または生物学センサ、電磁場センサ、または所望の用途に相応しい他の任意のセンサがあり得る。
【０１２７】
図２５は、第１基板６３２上に形成された光検出器および／光送信器と、第２基板６３４上に形成された制御回路および／またはセンサとを含む、光デバイス６３０の別の一例の模式断面図である。この例示の実施形態では、光検出器および／または光送信器のパッドの一部は、第１基板６３２の一方の面上に設けられ、他のパッドは第１基板６３２の対向する面上に設けられている。かかる１つの光検出器および／または光送信器は、図２および図３を参照して示し説明した。
【０１２８】
図２４におけるように、第１基板６３２および第２基板６３４は、実質的に互いに平行に配置され、共通の光ビーム軸に交差するように位置付けられている。第１基板６３２は、１つ以上のパッド６３６ａおよび６３６ｂを含み、これらは光検出器および／または光送信器の選択された端子に対する電気的接続を提供する。第１基板６３２はまた、１つ以上のパッド６３６ｃも第１基板の対向面上に含む。一つの実施形態では、パッド６３６ｃは、先に図２に示したように、光送信器（例えば、ＶＣＳＥＬ）の下位ミラーに対する電気的接続を提供する。
【０１２９】
第２基板６３４は、１つ以上のパッド６３８ａおよび６３８ｂを含むことができ、これらは、制御回路の選択された入力および／または出力端子のような、制御回路の選択された回路に電気的接続を提供する。図示の実施形態では、第１基板６３２のパッド６３６ａおよび６３６ｂは、それぞれ、第２基板６３４のパッド６３８ａおよび６３８ｂと一直線状または実質的に一直線状となるように位置付けられている。このように設けると、図２５に示すように、第１基板６３２および第２基板６３４は互いにフリップ・チップはんだ接合され得る。また、第２基板は、１つ以上のパッド６４０も含むことができ、これらは制御回路の選択された回路に対する電気的接続を提供する。図示の実施形態では、第２基板６３４のパッド６４０は、６４４に示すように、第１基板６３２のパッド６３６ｃにワイヤ・ボンディングで接合されている。実施形態によっては、必要に応じて、接着剤等のような、絶縁材料６４２を、第１基板６３２およびワイヤ・ボンド６４４上に配することもできる。
【０１３０】
先の図２４における場合のように、第２基板６３４はまた１つ以上の光学素子６４６を含み、光伝送媒体（例えば、光ファイバ）６４８と第１基板６３２上に形成された光検出器および／または光送信器との間の光結合を容易にするのに役立つ。光学素子は、必要に応じて、第２基板６３４の表面上または表面内、あるいは第２基板６３４内部に設けられ得る。光学素子は、１つ以上の屈折または回折光学素子のような任意の種類の光学素子であればよい。前述と同様に、光伝送媒体６４８は、例えば、光学接着剤（図示せず）によって、第２基板６３４に取り付けられ得る。フリップ・チップはんだ接合を用いる場合、第２基板６３４上の光学素子６４６、センサおよび／または回路、ならびに第１基板６３２上の光検出器および／または光送信器を全て、製造プロセスの間に自己整合させる。
【０１３１】
図２６は、共通基板６７２上に一体に形成された光検出器、光送信器、制御回路および／またはセンサを含む、光デバイス６７０の一例の模式断面図である。図示の実施形態では、センサおよび／または制御回路６７４を最初に基板６７２上に形成するとよい。実施形態によっては、基板６７２がシリコン基板の場合もある。他の実施形態では、基板６７２は、シリコン・オン・サファイア（ＳＯＳ）基板、シリコン・オン絶縁体（ＳＯＩ：silicon-on-insulator）基板、またはその他の任意の適切な基板であればよい。好ましくは、基板６７２はＩＶ族半導体材料または層を含むが、これは全ての実施形態において要求される訳ではない。
【０１３２】
次に、光検出器および光送信器６７６を、センサおよび／または制御回路６７４上に一体に形成すればよい。実施形態によっては、バッファ層６７８を堆積して、その後に光検出器および光送信器６７６を設ける場合もある。バッファ層は、絶縁層を含み、それを貫通してビアまたはコンタクトを形成し、センサおよび／または制御回路６７４と光検出器および光送信器６７６との間の電気通信を行い易くすることができる。バッファ層はまた、センサおよび／または制御回路６７４を形成するために用いられる材料と、光検出器および光送信器６７６を形成するために用いられる材料との間のあらゆる格子不整合を補償することを促進することができる。光検出器および光送信器６７６は、先に図２から図４に関連して説明した場合と同様に形成され得る。しかしながら、光検出器および光送信器６７６を、光検出器および光送信器６７６の端子の一部または全部に対する電気的接続が、基板の上面からではなく、基板の下面から接続できるように形成するとよい。図示の実施形態では、基板６７２は、入射または出射光ビームに対して透過的、または実質的に透過的である必要はない。
【０１３３】
場合によっては、環境への直接的な接触を必要とするならば、第１基板上または基板内に１つ以上のセンサを設けるとよいこともある。かかるセンサの１つを６８０で示す。このように設けると、光検出器および光送信器６７６を形成するために用いられる層を除去して、図２６に示すように、センサ６８０を露出させることができる。バッファ層６７８が設けられている場合にも、これを除去するとよい。
【０１３４】
図２７は、共通基板７０２上に一体に形成された光検出器、光送信器、制御回路および／またはセンサを含む、光デバイス７００の別の一例の模式断面図である。この例示の実施形態では、センサおよび／または制御回路７０４を、光検出器および光送信器７０６の上に形成する。
【０１３５】
具体的に図２７を参照すると、光検出器および光送信器７０６は、例えば、図２、図３および図４に関連して先に示し説明した場合と同様に、基板７０２上に形成され得る。一旦光検出器および光送信器７０６を形成したなら、１つ以上のセンサおよび／または制御回路７０４を、光検出器および光送信器７０６の上に形成することができる。場合によっては、バッファ層７０８を、１つ以上のセンサおよび／または制御回路７０４を形成する前に配するとよい。バッファ層７０８は、絶縁層を含み、これを貫通してビアまたはコンタクトを形成し、センサおよび／制御回路７０４と光検出器および光送信器７０６との間の電気的通信を行い易くすることができる。バッファ層はまた、センサおよび／制御回路７０４を形成するために用いられた材料と、光検出器および光送信器７０２を形成するために用いられた材料との間のあらゆる格子不整合の補償を促進することもできる。
【０１３６】
実施形態によっては、図２から図４に関連して先に説明したように、基板がｎ−ドープ・ガリウム砒素（ＧａＡｓ）基板４８であり、光検出器および光送信器７０６がＧａＡｓ系デバイスであってもよい場合がある。この実施形態では、センサおよび／または制御回路７０４もＧａＡｓ系回路で形成すればよい。しかしながら、これは必須ではない。例えば、必要に応じて、シリコン系エピ層をバッファ層７０８の上に成長させてもよい。次いで、センサおよび／または制御回路７０４をシリコン・エピ層内に形成することができる。別の実施例では、光検出器および光送信器７０６をシリコン系とし、必要に応じて、センサおよび／制御回路７０４をＧａＡｓ系またはシリコン系としてもよい。
【０１３７】
尚、入射光信号および出射光信号は双方共構造の同じ面に入射および出射できるようにすることが考えられる。次いで、必要に応じて、これらの信号を伝送するために光伝送媒体７１２を設ければよい。あるいは、入射光信号および出射光信号が構造の異なる面において構造に入射および出射できるようにすることも考えられる。この場合、別の光伝送媒体７１０を設けて、これらの信号の一方を伝送すればよい。
【０１３８】
図２８は、共通基板上に一体に形成された光検出器、光送信器、制御回路および／またはセンサを含む光デバイスの更に別の一例の模式断面図である。この例示の実施形態では、光デバイス８００は、シリコン・オン・サファイア（ＳＯＳ）基板８０１上に形成されている。センサおよび／または制御回路は、ＳＯＳ基板のシリコン層８０２内に形成されている。次いで、少なくとも一領域からシリコン層８０２を除去する。次に、光検出器および光送信器８０４を、サファイア基板８０１上の、シリコンが除去された場所に形成する。光検出器および光送信器８０４とサファイア基板８０１との間に、必要に応じて、バッファ層８０６を設けてもよければ、設けなくてもよい。実施形態によっては、光検出器および光送信器８０４を、図２および図３に関連して先に説明したものと同様に形成した場合もある。
【０１３９】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本明細書において見出される教示は、添付特許請求の範囲内で更に別の実施形態にも適用可能であることは、当業者には容易に認められよう。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】本発明による通信システムの一例の模式図。
【図２】本発明による光トランシーバの一例の側断面図。
【図３】本発明による光トランシーバの一例の上面図。
【図４】光トランシーバの上面上で３つの電気コンタクト全てを使用可能とするのに適切なトレンチおよびパッドの一例を含む、光トランシーバの一例の側断面図。
【図５】図２に示す光トランシーバの一例についての、吸収率対波長の関係のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図６】図２に示す光トランシーバの一例についての、反射率対波長の関係のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図７】図２に示す光トランシーバの一例についての、反射率および吸収率対波長の関係のシミュレーション結果を示すグラフ。
【図８】本発明による光トランシーバの別の一例の側断面図。
【図９】本発明による光トランシーバの更に別の一例の側断面図。
【図１０】本発明による光トランシーバおよびセンサの一例を示す回路図。
【図１１】本発明による光トランシーバ、制御装置、および１つ以上のセンサの一例を示す回路図。
【図１２】本発明による光トランシーバ、制御装置、および１つ以上のセンサの別の一例を示す回路図。
【図１３】本発明による光トランシーバおよび制御装置の一例を示す回路図。
【図１４】本発明による光トランシーバおよび制御装置の一例を示す回路図。
【図１５】本発明による光トランシーバを動作させる方法の一例を示すタイミング図。
【図１６】本発明による光トランシーバを動作させる方法の別の一例を示すタイミング図。
【図１７】本発明による光トランシーバを動作させる方法の更に別の一例を示すタイミング図。
【図１８】検知素子としての光トランシーバおよび／または光伝送媒体の選択された特性を用いた、光トランシーバの別の一例を示す模式図。
【図１９】蛍光材料を検知素子として用いる光トランシーバの別の一例を示す模式図。
【図２０】１つ以上のパラメータを検知するために光トランシーバの光放出を用いる、光トランシーバの別の一例を示す模式図。
【図２１】１つ以上のパラメータを検知するために光トランシーバの光放出を用いる、光トランシーバの更に別の一例の模式図。
【図２２】１つ以上のパラメータを検知するために、蛍光材料と共に光トランシーバの光放出を用いる、光トランシーバの別の一例を示す模式図。
【図２３】入射光ビームから光パワーを生成すること、および光戻り信号を供給することの双方に光放出体を用いる、光トランシーバの一例を示す模式図。
【図２４】第１基板上に形成された光検出器および／または光送信器、ならびに第２基板上に形成された制御回路および／またはセンサを含む、光デバイスの一例の模式断面図。
【図２５】第１基板上に形成された光検出器および／または光送信器、ならびに第２基板上に形成された制御回路および／またはセンサを含む、光デバイスの別の一例の模式断面図。
【図２６】共通基板上に一体に形成された光検出器、光送信器、制御回路、および／またはセンサを含む、光デバイスの一例の模式断面図。
【図２７】共通基板上に一体に形成された光検出器、光送信器、制御回路、および／またはセンサを含む、光デバイスの別の一例の模式断面図。
【図２８】共通基板上に一体に形成された光検出器、光送信器、制御回路、および／またはセンサを含む、光デバイスの更に別の一例の模式断面図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年7月28日(2005.7.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光ビームを光ビーム軸に沿って検出し、出射光ビームを前記光ビーム軸に沿って送信する光電デバイスであって、
前記光ビーム軸に沿って配置され、前記入射光ビームを受信し、第１波長および／または波長範囲を検出する光検出器と、
前記光ビーム軸に沿って配置され、前記出射光ビームを送信する光送信器であって、前記出射光ビームは第２波長および／または波長範囲を含む、光送信器と、
を備える光電デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の光電デバイスであって、更に、前記光検出器および／または前記光送信器と電気的に通信する制御装置を備える、光電デバイス。
【請求項３】
請求項１に記載の光電デバイスにおいて、前記光検出器は、前記第１波長および／または波長範囲の光を少なくとも部分的に吸収し、かつ前記第２波長および／または波長範囲の光を少なくとも部分的に通過させる１つ以上の吸収層を含む、光電デバイス。
【請求項４】
請求項２に記載の光電デバイスにおいて、前記光検出器および前記光送信器は第１基板上に配置され、前記制御装置は第２基板上に配置されている、光電デバイス。
【請求項５】
請求項４に記載の光電デバイスにおいて、前記光検出器および／または前記光送信器は１つ以上のパッドを含み、前記制御装置は１つ以上のパッドを含む、光電デバイス。
【請求項６】
請求項５に記載の光電デバイスにおいて、前記光検出器および／または前記光送信器の選択されたパッドは前記制御装置の選択されたパッドに電気的に接続されている、光電デバイス。
【請求項７】
請求項６に記載の光電デバイスにおいて、前記光検出器および／または前記光送信器の選択されたパッドは、前記制御装置の選択されたパッドに対してはんだバンプ接合されている、光電デバイス。
【請求項８】
請求項６に記載の光電デバイスにおいて、前記光検出器および／または前記光送信器の選択されたパッドは、前記制御装置の選択されたパッドに対してワイヤ・ボンドで接合されている、光電デバイス。
【請求項９】
請求項４に記載の光電デバイスにおいて、前記第１基板および前記第２基板は実質的に互いに平行に配置されている、光電デバイス。
【請求項１０】
請求項４に記載の光電デバイスにおいて、前記第２基板は、前記第１波長および／または波長範囲、ならびに前記第２波長および／または波長範囲に対して透過的または実質的に透過的である、光電デバイス。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光電デバイスにおいて、前記第２基板は、前記入射光ビームおよび／または前記出射光ビームが前記第２基板を通過するように、前記光ビーム軸に沿って配置されている、光電デバイス。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光電デバイスにおいて、前記第２基板はシリコン・オン・サファイア基板を含み、前記制御装置は前記シリコン・オン・サファイア基板のシリコン層内に制御回路を含む、光電デバイス。
【請求項１３】
請求項１２に記載の光電デバイスにおいて、前記入射光ビームおよび／または前記出射光ビームは、前記制御回路の少なくとも一部を必然的に通過する、光電デバイス。
【請求項１４】
請求項１２に記載の光電デバイスにおいて、前記入射光ビームおよび／または前記出射光ビームは、前記制御回路を通過しない、光電デバイス。
【請求項１５】
請求項１４に記載の光電デバイスにおいて、前記シリコン・オン・サファイア基板の、前記入射光ビームおよび／または出射光ビームが通過する領域に対応する領域から、シリコン層は除去または実質的に除去される、光電デバイス。
【請求項１６】
請求項１１に記載の光電デバイスにおいて、前記第２基板はＧａＰである、光電デバイス。
【請求項１７】
請求項２に記載の光電デバイスにおいて、前記制御装置は１つ以上のセンサを含む、光電デバイス。
【請求項１８】
請求項２に記載の光電デバイスにおいて、前記制御装置は１つ以上のセンサに電気的に接続されている、光電デバイス。
【請求項１９】
請求項２に記載の光電デバイスにおいて、前記制御装置は、前記光検出器により生成された電荷を蓄積する１つ以上のコンデンサを含む、光電デバイス。
【請求項２０】
請求項１９に記載の光電デバイスにおいて、前記制御装置は、前記１つ以上のコンデンサに蓄積された電荷によって少なくとも部分的に給電される、光電デバイス。
【請求項２１】
請求項２に記載の光電デバイスにおいて、前記第２基板は光学素子を含む、光電デバイス。
【請求項２２】
請求項２１に記載の光電デバイスにおいて、前記光学素子は屈折光学素子である、光電デバイス。
【請求項２３】
請求項２１に記載の光電デバイスにおいて、前記光学素子は回折光学素子である、光電デバイス。
【国際調査報告】
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