CN111226148A - 波导片及光电变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的波导片是取入所入射的入射光并在内部沿与入射光的入射方向交叉的方向引导光的波导片，具备：低折射率层；透光层，与低折射率层层叠，折射率比低折射率层高；以及衍射光栅，形成在透光层上，改变入射光的行进方向。衍射光栅的图样被分割为多个部分图样，多个部分图样分别是同心圆或同心多边形的形状。

Description

波导片及光电变换装置
技术领域
本发明涉及利用衍射进行光的限制的波导片及使用该波导片的光电变换装置。
背景技术
专利文献1公开了一种利用光的衍射进行光的限制的波导片。专利文献1所记载的波导片具备透光片和该透光片内的光耦合构造。光耦合构造包括第1透光层、第2透光层和被它们夹着的第3透光层。此外，第1及第2透光层的折射率比透光片的折射率小，第3透光层的折射率比第1及第2透光层的折射率大。此外，第3透光层具有衍射光栅。由此，能够将较大的波长范围的光以较大的入射角度取入。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2012/046414号
发明内容
在本发明中，提供一种波导片，其是取入所入射的入射光并在内部沿与该入射光的入射方向交叉的方向引导光的波导片，并且容易将取入到该波导片内部的光保持在内部。此外，本发明提供一种使用该波导片的光电变换装置。
本发明的波导片，取入所入射的入射光，并在内部沿与入射光的入射方向交叉的方向引导光，具备：低折射率层；透光层，与低折射率层层叠，折射率比低折射率层高；以及衍射光栅，形成在透光层上，改变入射光的行进方向。衍射光栅的图样被分割为多个部分图样；多个部分图样分别是同心圆或同心多边形的形状。
此外，本发明的光电变换装置具备：上述波导片；以及光电变换元件，具有接受光的受光面，将由受光面接受的光变换为电力。光电变换元件以受光面位于与波导片的端面对置的位置的方式配置在波导片的周围，波导片位于与入射光的入射方向交叉的方向上。
根据本发明的波导片，容易将取入到该波导片内部的光保持在内部中。
此外，根据本发明的光电变换装置，由于能够由波导片以较大的面积取入来自外部的入射光，将所取入的入射光高效地向配置在该波导片的端面侧的光电变换元件引导，所以能够高效地对入射光进行光电变换。
附图说明
图1A是表示有关本发明的光电变换装置的立体图。
图1B是对于图1A所示的光电变换装置的一部分的平面图。
图1C是图1A所示的光电变换装置的剖视图。
图1D是表示片的宽度与聚光率的关系的说明图。
图2的(a)、(b)是用来说明有关实施方式1的波导片的构造的示意性的立体图，图2的(c)是用来说明有关实施方式1的波导片和光的传播路径的示意性的剖视图。
图3是用来说明有关实施方式1的波导片内的光耦合构造和光的传播路径的示意性的立体图。
图4A是表示有关实施方式1的波导片内的光耦合构造与光的耦合方位的关系的平面图。
图4B是表示入射矢量、波导矢量、光栅矢量和放射矢量的关系的三维的矢量图的说明图。
图4C是表示入射矢量、波导矢量、光栅矢量和放射矢量的关系的二维的矢量图的说明图。
图5的(a)及(b)是分别在电磁解析中使用的有关实施方式1的波导片内的光耦合构造的平面图及剖视图，图5的(c)及(d)分别是表示输入光和波导、放射的状况的平面图及剖视图，是叠加了基于电磁解析结果的光强度分布的图。
图6的(a)、(b)、(c)、(d)都是表示光的远场的指向性的强度分布图。
图7A是用来说明有关实施方式1的波导片内的光耦合构造和光的入射路的示意性的剖视图。
图7B是表示光耦合构造与耦合区域的关系的平面图。
图7C是表示错开半周期而校准并叠合的情况下的上下的光耦合构造与耦合区域的关系的平面图。
图8A是用来说明有关实施方式1的光输入效率的角度依赖性的、表示向6层的光耦合层入射的光的状况的二维解析模型的截面说明图。
图8B是以波长为参数表示向光耦合层的光输入效率的角度依赖性的说明图。
图9是用来说明有关实施方式1的单一的光耦合层和向光耦合层的入射光的相干长度的说明图。
图10A是表示与图9所示的光耦合层对应的、光输入效率的波长依赖性的说明图。
图10B是表示与图9所示的光耦合层对应的、光输入效率的角度依赖性的说明图。
图11的(a)是表示基于图8B的结果估计的、与波长和入射角度对应的耦合范围的说明图，图11的(b)是表示非相干光的情况下的、与波长和入射角度对应的耦合范围的说明图。
图12是说明在实施方式1中、单色的入射光在光耦合层中耦合、广角化被放射而成为限制光为止的过程的立体图。
图13是说明在实施方式1中、多色的入射光在光耦合层中耦合、广角化被放射而成为限制光为止的过程的剖视图。
图14是表示制造有关实施方式1的波导片的次序的一例的示意性的说明图。
图15是用来说明有关实施方式2的波导片内的光耦合构造和光的传播路径的示意性的立体图。
图16是在电磁解析中使用的有关实施方式2的波导片内的光耦合构造的平面图，(a)是同心正18边形的光栅的图样的平面图，(b)是同心正12边形的光栅的图样的平面图。
图17的(a)、(b)、(c)、(d)都是表示光的远场的指向性的强度分布图，图17的(a)、(b)是与图16的(a)对应的放射光的远场分布图，图17的(c)、(d)是与图16的(b)对应的放射光的远场分布图。
图18A是用来说明光栅耦合法的原理的光耦合层的剖视图。
图18B是用来说明光栅耦合法的原理的二维的矢量图的图。
图18C是用来说明光栅耦合法的原理的三维的矢量图的图。
图18D是用来说明光栅耦合法的原理的光耦合层的有效的膜厚与有效折射率的关系的图。
具体实施方式
(作为本发明的基础的认识)
首先，在下述中说明发明者们的着眼点。
光是以光速持续传播的基本粒子。通常难以将光转移到单一的光传播介质、以及将光在该光传播介质的内部保持。以往，作为从空气等的环境介质向透明的片内部取入光的技术，例如有光栅耦合法。
图18A～图18D是用来说明光栅耦合法的原理的图。
具体而言，图18A是在表面设有衍射光栅间距Λ的直线光栅(衍射光栅22g)的透光层20的xz轴剖视图。透光层20的表面与xy面平行，光栅的方位沿y轴方向延伸，其光栅矢量与x轴平行。
设有衍射光栅22g的透光层20被称作光栅耦合器，这里称作光耦合层22。如图18A所示，如果使波长λ的入射光23a相对于光耦合层22的面的法线以规定的入射角度θ倾斜而入射，则入射光23a能够与在光耦合层22内传播的波导光23b耦合。
图18B是表示图18A中的入射光23a的二维矢量图的说明图。在图18B中，圆24c及圆25分别是以点O为中心、以折射率n0和有效折射率neff为半径的圆，点R0是圆25与x轴的交点。这里，折射率n0是位于透光层20的周围的环境介质21的折射率，有效折射率neff是波导光23b的有效折射率。点P0’是从点O沿着入射角度θ(相对于z轴的倾斜角)引线、该线与圆24c相交的点。点P0是从点P向xy平面引的垂线的足(该垂线与x轴的交点)。
图18D表示波导光23b以TE模式传播的情况下的有效的膜厚teff与有效折射率neff的关系(分散特性)。有效折射率neff依赖于光耦合层22的有效的膜厚，根据在光耦合层22内传播的传播光的波导模，取从环境介质21的折射率n0到透光层20的折射率n1之间的特定的值。这里，在没有衍射光栅22g的情况下，有效的膜厚是透光层20的膜厚本身，在有衍射光栅22g的情况下，有效的膜厚是对透光层20的膜厚加上衍射光栅22g的平均高度的值。
另外，图18D是设将透光层20的周围包围的环境介质21为SiO2、设透光层20为Ta2O5的情况下的关系。如图18D所示，在光耦合层22内传播的波导光，存在0次、1次、2次等的多个波导模，特性曲线分别不同。
这里，如图18B所示，向x轴正方向的光的耦合条件是P0R0的长度等于光栅矢量的大小(λ/Λ)的整数倍。具体而言，向x轴正方向的光的耦合条件由下述的式(1)表示。其中，q是由整数表示的衍射次数。
[数式1]
n0sinθ＝-neff+qλ/Λ (1)
光的耦合仅在波长λ、入射角度θ等满足式(1)的情况下发生。
上面是对入射光23a的入射方向与xz平面平行的情况的说明，而对与xz平面不平行的情况进行考察。图18C是表示图18A中的入射光23a的三维矢量图的说明图。
在图18C中，球面24s及圆25分别是以点O为中心、以折射率n0和有效折射率neff为半径的球面和圆，点R0是圆25与x轴的交点。
点P0’是从点O沿着入射角度θ(相对于z轴的倾斜角)引线、该线与球面24s相交的点。点P0是从点P0’向xy平面引的垂线的足(该垂线与xy平面的交点)。
这些关系是入射光23a的入射方向与xz平面平行的情况，点P0’、P0、R0都处于xz平面上。在入射光23a与xz平面不平行的情况下，从点O沿着入射光线的方位引线，求出该线与球面24s相交的点P’。从点P’向xy平面引的垂线的足(该垂线与xy平面的交点)是点P。从点P平行于x轴引线，求出与圆25相交的点R。光的耦合条件是矢量PR等于光栅矢量的整数倍。如果设将圆25沿着x轴错移了光栅矢量的整数倍的圆为圆25’，则光的耦合条件如果点P处于圆25’上则成立，如果从圆25’偏离则不成立。
因而，在入射光23a与xz平面不平行的情况下，向波导光的耦合角度变化，但入射角度及波长被限定这一点没有变化。
此外，波导光23b在光耦合层22的区域中传播的期间，以与入射角相同的角度放射光23B、23B’。因而，在距光耦合层22的光栅端部22e近的位置处入射的入射光23a’作为波导光23b’而继续透光层20内的传播，但在从端部22e离开的位置处入射的光在到达端部22e之前衰减。即，即使满足向波导光的耦合条件，也有能够在透光层20中传播的光被限定于该入射位置接近于光栅端部22e的光的问题。
鉴于以上的问题，发明者们创作了本发明。
以下，适当参照附图详细地说明实施方式。但是，有省略所需以上详细的说明的情况。例如，有省略已经周知的事项的详细说明及对于实质上相同的结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，使本领域技术人员的理解变得容易。
另外，发明者们为了本领域技术人员充分地理解本发明而提供附图及以下的说明，并不是要由它们限定权利要求书所记载的主题。
此外，假设各图中的x轴及y轴是与z轴正交的方向。此外，假设x轴是与y轴正交的方向。此外，在本说明书中，将z轴的正方向定义为上方。此外，有将z轴方向记作层叠方向的情况。
此外，在本说明书中，“上方”及“下方”的用语是指绝对的空间识别中的上方向(铅直上方)及下方向(铅直下方)。此外，“上方”及“下方”的用语不仅适用于两个构成要素相互隔开间隔配置而在两个构成要素之间存在其他构成要素的情况，而且还适用于两个构成要素相互密接地配置而两个构成要素相接的情况。
此外，在本说明书中，平行包括大致平行，即包括制造上的误差。
(实施方式1)
以下，使用图1A～图13说明实施方式1。
[波导片的构造]
图1A是表示有关本发明的光电变换装置的立体图，图1B是对于图1A所示的光电变换装置的一部分的平面图，图1C是光电变换装置的剖视图。
如图1A～图1C所示，光电变换装置100具备波导片8和配置在波导片8的端面位置之下的光电变换元件9。波导片8的xy面上的形状例如是正六边形，光电变换元件9呈正六边形的外缘形状。波导片8以蜂窝状邻接而被铺满在xy面上，光电变换元件9配置在蜂窝边界部的正下方。
光电变换装置100是将太阳光或照明光等的入射光11取入到波导片8的内部并将所取入的入射光变换为电力的装置。换言之，入射光11被取入到波导片8的内部，在波导片8内部被变换为限制光(原文：閉じ込め光)12。限制光12在波导片8内部传播，到达波导片8的端面8e。到达了端面8e的限制光12从端面8e放射，被接近于端面位置而配置的镜10向下方反射，被光电变换元件9接受并变换为电力。
光电变换元件9将所接受的光变换为电力。作为一具体例，光电变换元件9是太阳能电池。作为光电变换元件9的材料，例如采用结晶硅、单晶硅或多晶硅等的半导体。或者，作为光电变换元件9的材料，例如也可以采用GaAs或InGaAs等的化合物类半导体。
波导片8是将入射光11取入到内部的光学片。波导片8将所取入的入射光11在内部保持，变换为限制光12，向波导片8的端面8e传播。具体而言，波导片8将入射光11取入到内部，改变入射光11的行进方向，向位于与受光方向交叉的方向的波导片8的端面引导。更具体地讲，波导片8将入射光11取入到内部，变换为沿与入射光11的行进方向不同的方向在波导片8内部行进(引导)的限制光12。此外，波导片8具有将限制光12在抑制向波导片8外部(具体而言向图1A～图1C所示的z轴方向侧)的放射的同时向端面8e引导的功能。
如果设波导片8的xy面上的形状为一边长度是2a的正六边形，则正六边形的宽度W由式(2)、面积S由式(3)给出。
[数式2]
Figure BDA0002453015760000071
[数式3]
Figure BDA0002453015760000072
如果设光电变换元件9的宽度为元件宽度w，则聚光率Cr(波导片面积相对于光电变换元件面积的比)由式(4)给出，设w＝0.5mm而表示聚光率Cr与片宽度W的关系的是图1D。
[数式4]
Figure BDA0002453015760000081
由图1D可知，如果将片宽度W设为100mm以上，则能够使聚光率Cr成为100倍以上。
图2的(a)、(b)是用来说明有关实施方式1的波导片的构造的示意性的立体图，图2的(c)是用来说明有关实施方式1的波导片和光的传播路径的示意性的剖视图。
波导片8将多个单色波导片8a、8b、8c、…、8j等经由珠子(beads)等的透明间隔件夹着空气层的间隙叠合而构成。也可以代替珠子而使单色波导片的表面平滑地起伏，夹着空气层的间隙，一边在起伏的顶点相接一边叠合。以单色波导片8a为例，单色波导片8a将作为相同构造体的层叠片7a、7a’夹着透明的粘接层6a贴合而构成。层叠片7a由透明的片基板1a和层叠在其上的光耦合层5a构成。光耦合层5a是将设有衍射光栅的高折射率的透光层(高折射率层3a)在它们之间夹着低折射率的缓冲层(低折射率层4a)交替地层叠的构造，有使入射光与波导光耦合的作用。
片基板1a(1a’)在层叠侧的表面2a(2a’)形成有光栅5g(衍射光栅)，其相反侧的表面1as(1as’)是平滑的平面。光栅5g的图样以蜂窝状被分割，在一个个正六边形内形成有与正六边形内的中心同心的圆形的光栅5g。将分割的一个个光栅图样称作部分图样。在层叠侧的表面2a(2a’)，SiN、Ta2O5等的作为高折射率的透明层的高折射率层3a(3a’)和SiO2等的作为低折射率的透明层的低折射率层4a(4a’)维持光栅5g的形状的同时被交替地层叠，作为光耦合层5a(5a’)发挥功能。上述的粘接层6a进行光耦合层5a与5a’的贴合。关于光栅5g的间距，在单色波导片8a最小，随着朝向下层侧(以8b、8c的顺序)变大。另外，将高折射率层3a、3a’、低折射率层4a、4a’、光耦合层5a、5a’分别统称为高折射率层3、低折射率层4、光耦合层5。
向波导片8入射的入射光11向最上面的单色波导片8a入射，在光耦合层5a、5a’中成为入射光11ia。入射光11ia的一部分在光耦合层5a、5a’中耦合，变换为波导光11ga，在光耦合层内传播。波导光11ga如果传播到与输入位置接近的正六边形内的光耦合层5a、5a’，则在该位置向上下放射，成为放射光11ra。放射光11ra的放射角(相对于光耦合层的面法线的角度)比入射光11ia的入射角(相对于光耦合层的面法线的角度)大，放射光11ra的一部分在片基板1a、1a’的表面1as、1as’成为全反射光，成为限制光12a。一旦成为限制光12a，则光的传播角度就不再变小，所以在单色波导片8a内无损失而稳定地传播，被限制在片内。
向光耦合层5a、5a’入射的入射光11ia中的在光耦合层5a、5a’中没有耦合的成分、及放射光11ra中的传播角变大但没有成为全反射光(限制光12a)的成分透射单色波导片8a向处于下层的单色波导片8b入射，在这里重复上述现象。
在最上层的单色波导片8a中，蓝色等的短波长侧的光被限制，随着朝向下层而长波长侧的光被限制。在波导片8整体中，从可视光到近红外光的光被限制。
图3是用来说明有关实施方式1的波导片内的光耦合构造和光的传播路径的示意性的立体图。
入射光11i的一部分在正六边形的光耦合层5L中耦合而变换为波导光11g，在光耦合层内传播。波导光11g在与输入位置接近的正六边形的光耦合层5R中上下放射，成为放射光11r。放射光11r的放射角(相对于光耦合层的面法线的角度)并不一定比入射光11i的入射角(相对于光耦合层的面法线的角度)大。例如，如果将入射光11i的扩散用SI表示，则放射光11r的扩散成为SR那样，向广角侧扩散。该原理对于全部的入射角的光都成立。
图4A是表示有关实施方式1的波导片内的光耦合构造与光的耦合方位的关系的平面图。
在光耦合构造5中，设一个正六边形的中心为中心A，设邻接的正六边形的中心为中心B，设再邻接的正六边形的中心为中心C，设光栅5g的间距为间距Λ。设向中心A的正六边形入射、输入耦合并向中心B侧波导的光的传播矢量为矢量B1，设矢量B1与矢量AB所成的角为
Figure BDA0002453015760000101
。如果沿矢量B1的方向传播的波导光入射到中心B的正六边形内，则与该位置处的光栅矢量B2所成的角
Figure BDA0002453015760000103
等于
Figure BDA0002453015760000102
。另一方面，设向中心A的正六边形入射、输入耦合并向中心C侧波导的光的传播矢量为矢量C1，设矢量C1与矢量AC所成的角为
Figure BDA0002453015760000104
。如果沿矢量C1的方向传播的波导光入射到中心C的正六边形内，则与该位置处的光栅矢量C2所成的角
Figure BDA0002453015760000105
比
Figure BDA0002453015760000106
大。
图4B、图4C是表示入射矢量、波导矢量、光栅矢量与放射矢量的关系的、三维的矢量图的说明图和二维的矢量图的说明图。
在图4B中，考虑在xyz坐标上以原点O为中心、分别以折射率1、n、neff为半径的球面。
折射率n是片基材(1a、1a’等)的折射率，折射率neff是透光层对于波导光的有效折射率。点R处于半径为折射率neff的球面上，点P’、Q’处于半径为折射率n的球面上，点P”处于半径为折射率1的球面上，点P、Q、R处于xy平面上，直线PR经过原点O。经过点P的圆14p、14q都处于xy平面上。点P、P’、P”处于一直线上，点P是点P’及P”向xy面的垂线的足，点Q是点Q’向xy面的垂线的足。片基材(1a、1a’等)内的入射角θ的入射矢量是矢量P’O，如果换算为从空气的入射，则相当于矢量P”O。点P处于以点O为中心的半径是n×sinθ的圆14p上。圆14p的半径相当于入射光的数值孔径(NA)。由于正六边形内的光栅5g是以点O为中心的同心圆，所以光栅矢量的方位与矢径方向一致。
因而，矢量PR的大小等于光栅矢量(大小Λ/λ，Λ是光栅5g的间距，λ是波长)的整数倍是入射光沿PR方向传播的条件(参照式(1))，波导矢量为OR。矢量OR相当于图4A的矢量B1，与x轴所成的角是
Figure BDA0002453015760000107
。
如果沿着矢量OR传播的波导光入射到接近的正六边形内，则该位置处的光栅矢量RQ相对于矢量OR成角
Figure BDA0002453015760000108
(与图4A中的光栅矢量B2、C2对应)。光栅矢量RQ的终点Q处于以点R为中心的半径是Λ/λ的圆14q上。如果设点Q的垂线与半径n(折射率n)的球面的交点为Q’，则矢量OQ’为从接近的正六边形内的光栅耦合器放射的光的传播矢量(放射矢量)。如果线QQ’不与半径1(折射率1)的球面相交，则放射光在片基材(1a、1a’等)的面向空气的表面(1as、1as’等)全反射，被限制在片内。由于圆14q在点P处与圆14p外接，所以放射光的NA必定比入射光的NA大(将其称作广角化效果)。如果点Q出到半径n(折射率n)的圆外，则不发生放射光，波导光无损失而持续传播，但最终入射到某个正六边形内而将光放射(如图4A中的角度
Figure BDA0002453015760000111
在中心B的正六边形和中心C的正六边形中不同那样，在某处必定满足放射条件)。该放射光的NA也必定比入射光的NA大。
为了验证在图4A～图4C中说明的广角化效果，进行基于FDTD的电磁解析。
图5是基于FDTD的电磁解析的解析模型，图5的(a)和(b)是在电磁解析中使用的有关实施方式1的波导片内的光耦合构造的平面图和剖视图，图5的(c)和(d)是表示输入光和波导、放射的状况的平面图和剖视图，叠加了基于电磁解析结果的光强度分布。
在图5的(a)、(b)中，将光耦合层5L、5R的正六边形的宽度(x轴方向)设为10μm，将光栅5g设为间距Λ＝0.24μm、深度0.09μm的3角截面形状，将高折射率层3设为厚度0.15μm的Ta2O5膜，将低折射率层4设为SiO2膜。解析的边界条件在x、y、z方向上都设为PML(吸收边界条件)。在图5的(c)、(d)中，作为入射光11而将10μm角的光源配置到xy坐标的右半部(图5的(c)的虚线)，在低折射率层4内接近于高折射率层3而配置(图5的(d)的虚线)。光源的波长是0.60μm，入射角在xz面内相对于z轴是25度(NA＝0.42)，偏振光是S偏振光(电矢量是y轴方向)。
图5的(c)表示在占xy坐标的右半部的光耦合层5R中输入耦合、向光耦合层5L侧传播的波导光的xy截面的强度分布。
图5的(d)是xz截面的强度分布图，将从光耦合层5L、5R放射光的状况(放射光15a、15b、15c、15d)用箭头表示(其中，放射光15c几乎都是反射成分，放射光15d几乎都是透射成分)。
图6的(a)、(b)、(c)、(d)都是表示光的远场的指向性的强度分布图，分别与图5的(d)中的放射光15a、15b、15c、15d对应。
其中，将入射光11的低折射率层4内的入射角设为x方向成分θx、y方向成分θy，将横轴设为x方向NA(＝sinθx)，将纵轴设为y方向NA(＝sinθy)。
在图6的(c)、(d)中，强度(箭头A)集中于与入射光的(sinθx，sinθy)＝(0.42，0.00)对应的位置，反映了高折射率层3中的反射光、透射光。
相对于此，在图6的(a)、(b)中，强度分布(箭头B)扩散成外切于NA＝0.42的圆，延伸到针对空气的全反射条件(NA＝1/n＝0.69，n(低折射率层4的折射率)＝1.45)的外侧。箭头C的强度分布是解析误差(这是因为，因光栅间隔的极限而在光栅的形状表现中留有随机性，波导光的一部分散射)。
根据图6中的解析结果可知，在图4A～图4C中说明的广角化效果(放射光的NA必定比入射光的NA大)成立。
图7A是用来说明有关实施方式1的波导片内的光耦合构造和光的入射路的示意性的剖视图。
光耦合层5a、5a’通过粘接层6a贴合。光耦合层5a、5a’的厚度t例如是10μm的大小，正六边形的宽度W例如是10μm左右的大小，粘接层6a的厚度s是几微米左右的大小。
入射到单色波导片8a并透射片基板1a’的入射光16a向光耦合层5a’斜着入射，在区域17a、17b(在z轴方向上不同的位置处为不同的正六边形区域)中输入耦合。从耦合泄漏的入射光16a向处于下层的光耦合层5a入射，在区域17c、17d(在z轴方向上不同的位置处为不同的正六边形区域)中输入耦合。透射片基板1a’的入射光16A向光耦合层5a’斜着入射，在区域17A、17B(在z轴方向上不同的位置处为不同的正六边形区域)中输入耦合。从耦合泄漏的入射光16A向处于下层的光耦合层5a入射，在区域17C、17D(在z轴方向上不同的位置处为不同的正六边形区域)中输入耦合。
图7B是表示光耦合构造与耦合区域的关系的平面图，图7C是表示错开半周期而校准并叠合的情况下的上下的光耦合构造与耦合区域的关系的平面图。
在图7B中，在平面图上描绘了入射光16a在光耦合层5a’中能够输入耦合的区域的是18a’，描绘了入射光16A能够输入耦合的区域的是18A’。
与入射光16a、16A对应的光束存在于全部的正六边形的区域中，与耦合区域18a’、18A’对应的区域也存在于全部的正六边形的区域中。如果进一步使入射光从入射光16a向入射光16A连续地移动，则耦合区域18a’、18A’也连续地相连，最终耦合区域成为18’那样。在光耦合层5a中能够输入耦合的区域也与其相同。
因而，如图7C所示，在将光耦合层5a’(用实线表示)和光耦合层5a(用虚线表示)在x方向及y方向上错开半周期、校准并叠合的情况下，由光耦合层5a’形成的耦合区域18’和由光耦合层5a形成的耦合区域18分别处于将间隙相互填埋的位置，能够将几乎全部区域用耦合区域覆盖。
图8A是为了说明有关实施方式1的光耦合层5的光输入效率的角度依赖性而表示向6层的光耦合层入射的光的状况的二维解析模型的截面说明图，图8B是以波长为参数表示向光耦合层5的光输入效率的角度依赖性的说明图。
在图8A中，光耦合层5通过将Ta2O5的高折射率层3(膜厚0.19μm)夹着SiO2的低折射率层4(膜厚0.27μm)层叠6层而构成，最上面的SiO2层与空气接触。入射光11在最上层的SiO2层内部以S偏振光发光(入射)，关于入射角θ，以SiO2层内的角度估计，θ＝43.6度是在SiO2层最表面上全反射的条件。光栅5g的间距是0.24μm，宽度是5μm，入射光11的宽度也与此相符。解析边界是全部PML。
在图8B中，波长在0.50～0.65μm的范围以0.05μm刻度摆动。随着从短波长成为长波长，耦合效率最大的入射角度向较大侧变动。此外，在单一波长下，耦合效率的极大值出现两次，入射角度较小侧相当于0次波导模下的耦合，较大侧相当于1次波导模下的耦合(参照图18D)。由于光栅的宽度较窄，所以在入射角较大的情况下入射光的传播范围与光栅区域重叠的范围较窄，贡献于输入耦合的被限于上侧的2、3层为止，但在哪个条件下都得到了成为最大50％以上的峰值的耦合效率。如果将各峰值在各个强度半值宽度下进行比较，则1次波导模下的宽度比0次波导模下的宽度大，长波长下的宽度比短波长下的宽度大。
图9是用来说明有关实施方式1的单一的光耦合层5与向光耦合层5的入射光的相干长度的说明图。
在图9中，光耦合层5通过由SiO2的低折射率层4夹着Ta2O5的高折射率层3(膜厚0.34μm)而构成。相干长度L的入射光11从上层的SiO2层侧以S偏振光入射，入射角θ用SiO2层内的角度来估计。光栅的间距是0.45μm，宽度W是5.6μm，入射光11的宽度也与其相符。解析是二维的，解析边界是全部PML。
图10A是表示与图9所示的光耦合层对应的、光输入效率的波长依赖性的说明图。
图10A是表示在图9中使入射光11相对于xy面上的光耦合层5垂直地入射、使波导光耦合的情况下的模拟结果的光强度分布图。这里，波长依赖性是改变了入射光11的波长的情况下的、入射光11被取入到光耦合层5并与波导光耦合的效率(耦合效率)。
图10B是表示与图9所示的光耦合层对应的、光输入效率的角度依赖性的说明图。
这里，角度依赖性是指在图9中改变了入射光11的入射角度θ的情况下的、入射光11被取入到光耦合层5中而与波导光耦合的效率(耦合效率)。
另外，向光耦合层5入射的入射光11中使用脉冲光。即，在该解析中使用的入射光11是相干长度L的光，在设光速为C的情况下，为在由L/C定义的时间宽度的范围中形成波长λ的均质的电磁波的光。此外，在解析中使用的入射光11的形成电磁波的相干长度L的范围外的电磁波振幅设定为零。图10A及图10B所示的解析结果以相干长度L为参数而标绘。
如图10A所示，在相干长度L较长的情况下(所谓的可干涉的光的情况下)，与波长对应的耦合效率在波长为0.83μm(与图18D的P1对应)的情况下和波长为0.71μm(与图18D的P2对应)的情况下具有耦合效率较高的两个峰值(与波导光的0次模及1次模对应)，呈峰值宽度较窄的尖锐的曲线。随着相干长度L变短(随着成为所谓的非干涉的光)，所确认的多个峰值成为宽度变宽的曲线。
如图10B所示，在相干长度L较长的情况下，在入射角度为0度(与图18D的P1对应)和21度(与图18D的P2对应)下具有耦合效率较高的两个峰值(与波导光的0次模及1次模对应)。此外，该两个峰值呈峰值宽度较窄的尖锐的曲线。随着相干长度L变短，两个峰值成为峰值宽度变宽的曲线。
这里，在考虑光源为太阳的情况下，太阳光的相干长度L是几μm。即在入射太阳光的情况下，在有关实施方式1的波导片的光耦合层5中，光在较大的波长范围且较大的入射角度范围中输入耦合，成为波导光。
图11的(a)是表示基于图8B的结果估计的、与波长和入射角度对应的耦合范围的说明图。
在图11的(a)中，白箭头表示基于0次波导模的耦合效率的极大值范围，网格箭头表示基于1次波导模的耦合效率的极大值范围。箭头中心是极大值位置，箭头末端相当于强度半值位置。可知白箭头、网格箭头都在图中从左上(短波长、低角度)向右下(长波长、高角度)流动。
图11的(b)是表示基于图11的(a)及图9的结果估计的、非相干光的情况下的与波长和入射角度对应的耦合范围的说明图。根据图9的(b)，相干长度L＝7.15μm(非相干光)的结果与L＝143μm(相干光)的结果相比在角度宽度上扩大到3倍左右。根据该结果可知，在图11的(b)中，将图11的(a)中的白箭头、网格箭头的长度扩大到3倍。可知，白箭头、网格箭头无间隙地重叠，即使是单一的光栅的间距，也在较大的波长范围且较大的入射角度范围中输入耦合。另外，在图10A、图10B中可知，通过设为非相干光，波长范围、入射角度范围扩大，但耦合效率的最大值变小。但是，在实施方式1的波导片8中，如图2的(c)所示，将光耦合层5a等用层叠构造形成，通过使层叠数充分大，耦合效率能够改善到100％附近。因而，在实施方式1的波导片8中，能够在保持较高的耦合效率的状态下，将波长范围、入射角度范围扩大。
图12是说明在实施方式1中、单色的入射光在光耦合层中耦合、广角化而被放射、成为限制光为止的过程的立体图。
将向波导片8的入射光11设为波长λ＝0.4μm，从NA较大侧向较小侧分割为环形数值孔径区域(入射光11a、11b、11c、11d)。波导片8从光耦合层5的光栅5g的间距较小侧向较大侧，将单色波导片8a、8b、8c、8d从光的入射侧起依次重叠(在图12中，Λ是光栅5g的间距，N是有效折射率)。图12在矢量图中的入射矢量始点位置(图4B的点P)和放射矢量终点位置(图4B的点Q)处说明光的入射、放射的状况。在波长λ＝0.4μm的情况下，在单色波导片8a中，只有NA较大的光能够耦合。
因而，入射光11b、11c、11d透射单色波导片8a，而入射光11a在单色波导片8a中输入耦合(图12的(a))，因广角化效果而NA变大，作为放射光11a’放射(图12的(A))。由于放射光11a’的矢量终点Q处于半径为折射率1的球的外侧，所以被限制在单色波导片8a内。
入射光11c、11d透射单色波导片8b，但入射光11b在单色波导片8b中输入耦合(图12的(b))，因广角化效果而NA变大，作为放射光11b’放射(图12的(B))。放射光11b’的一部分被限制在单色波导片8b内，其余被向上下放射，但被向上侧放射的成分在单色波导片8a中输入耦合(图12的(a))，因广角化效果而NA变大，作为放射光11a’放射(图12的(A))。放射光11a’的矢量终点Q由于半径处于折射率1的球的外侧，所以被限制在单色波导片8a内。向下侧放射的成分由于存在于下侧的单色波导片光栅5g的间距都较大，所以有可能衍射而NA变化，但经过最下层的反射(在图13中说明)而反复进行广角化效果的结果是，最终在NA较大的状态下回到单色波导片8a，在此被限制在片内。
入射光11d透射单色波导片8c，而入射光11c在单色波导片8c中输入耦合(图12的(c))，因广角化效果而NA变大，作为放射光11c’放射(图12的(C))。放射光11c’的一部分被限制在单色波导片8c内，其余被向上下放射，但哪个放射成分都最终回到单色波导片8b而输入耦合(图12的(b))，因广角化效果而NA变大，作为放射光11b’放射(图12的(B))。放射光11b’的一部分被限制在单色波导片8b内，其余被向上下放射，但哪个放射成分都最终回到单色波导片8a而输入耦合，因广角化效果而NA变大，被限制在单色波导片8a内。
入射光11d在单色波导片8d中输入耦合(图12的(d))，因广角化效果而NA变大，作为放射光11d’放射(图12的(D))。放射光11d’的一部分被限制在单色波导片8d内，其余被向上下放射，但哪个放射成分都最终回到单色波导片8c而输入耦合(图12的(c))，因广角化效果而NA变大，作为放射光11c’放射(图12的(C))。放射光11c’的一部分被限制在单色波导片8c内，其余被向上下放射，但哪个放射成分都最终回到单色波导片8b而输入耦合(图12的(b))，因广角化效果而NA变大，作为放射光11b’放射(图12的(B))。放射光11b’的一部分被限制在单色波导片8b内，其余被向上下放射，但哪个放射成分都最终回到单色波导片8a而输入耦合，因广角化效果而NA变大，被限制在单色波导片8a内。
因而，单色(波长λ＝0.4μm)的光其全部的NA的成分被限制在单色波导片8a、8b、8c、8d中。
图13是说明在实施方式1中、多色的入射光在光耦合层中耦合、广角化而被放射而成为限制光为止的过程的剖视图。将向波导片8的入射光11设为波长λ＝0.40μm，从NA较大侧向较小侧分类为圆数值孔径区域(入射光11A、11B、11C、11D)。波导片8从光耦合层5的光栅5g的间距较小侧向较大侧将单色波导片8a、8b、8c、8d、8e从光的入射侧依次重叠。在单色波导片8a、8b、8c、8d、8e的最表面侧隔开间隙设置保护片19a，在最下面侧隔开间隙设置作为反射镜的反射片19b。
在波长λ＝0.4μm的情况下，通过单色波导片8a仅能够将NA较大的光进行耦合。在入射光11A中，作为NA较小的成分的入射光11B透射单色波导片8a，但NA较大的成分在单色波导片8a中输入耦合，因广角化效果而NA变大，成为限制光12a。
在入射光11B中，作为NA较小的成分的入射光11C透射单色波导片8b，而NA较大的成分在单色波导片8b中输入耦合，因广角化效果而NA变大，一部分成为限制光12b，其余被向上下放射。作为向上侧放射的成分的放射光11b’在单色波导片8a中输入耦合，因广角化效果而NA变大，成为限制光12a。
向下侧放射的成分由于存在于下侧的单色波导片的光栅5g的间距都较大，所以有可能衍射而NA变化，但经过最下层的反射片19b中的反射而反复广角化效果，结果，最终在NA较大的状态下回到单色波导片8a而输入耦合，因广角化效果而NA变大，成为限制光12a。
在入射光11C中，作为NA较小的成分的入射光11D透射单色波导片8c，但NA较大的成分在单色波导片8c中输入耦合，因广角化效果而NA变大，一部分成为限制光12c，其余被向上下放射。哪个放射成分都最终回到单色波导片8b而输入耦合，因广角化效果而NA变大，一部分成为限制光12b，其余被向上下放射。哪个放射成分都最终回到单色波导片8a而输入耦合，因广角化效果而NA变大，成为限制光12a。
作为NA较小的成分的入射光11D在单色波导片8d中输入耦合，因广角化效果而NA变大，一部分成为限制光12d，其余被向上下放射。哪个放射成分都最终回到单色波导片8c而输入耦合，因广角化效果而NA变大，一部分成为限制光12c，其余被向上下放射。哪个放射成分都最终回到单色波导片8b而输入耦合，因广角化效果而NA变大，一部分成为限制光12b，其余被向上下放射。哪个放射成分都最终回到单色波导片8a而输入耦合，因广角化效果而NA变大，成为限制光12a。即，波长λ＝0.40μm的全部的NA的光被单色波导片8a、8b、8c、8d限制。
另一方面，如图13所示，如果设向波导片8的入射光11’为长波长侧的λ＝0.55μm，则光的耦合、放射、限制的关系推延一片单色波导片的量。即，入射光11’透射单色波导片8a，在单色波导片8b、8c、8d、8e之间进行光的耦合、放射、限制，全部的NA的光被限制。光的耦合、放射、限制的关系是，λ＝0.40μm下的单色波导片8a、8b、8c、8d及入射光11A、11B、11C、11D与λ＝0.55μm下的单色波导片8b、8c、8d、8e及入射光11B’、11C’、11D’、11E’分别对应。
因而，单色波导片8b、8c、8d不仅贡献于λ＝0.40μm的光，而且贡献于λ＝0.55μm的光。这样，通过将单色波导片从光栅5g的间距较小侧向较大侧排列，各个片协同贡献于某范围的波长的限制，通过它们的连锁作用，即使是较少的片数的片，也能够进行较大的范围(例如从蓝色到近红外)的光的限制。
[波导片的制造方法]
接着，对有关实施方式1的波导片8的制造方法进行说明。
图14是表示制造有关实施方式1的波导片的次序的一例的示意性的说明图。
用平坦表面的金属模30和拥有光栅表面的金属模31进行注射成型，制作在蜂窝状的各区域中形成了同心圆的光栅5g的片基板1a。在片基板1a的光栅形成面，通过自克隆法的成膜，将Ta2O5或SiN等的高折射率膜(高折射率层3a)和SiO2等的低折射率膜(低折射率层4a)交替地层叠。如果满足自克隆的成膜条件，则在10μm以上的厚度范围中维持V字的光栅截面形状的同时进行层叠，形成光耦合层5a。使两片带有光耦合层的片基板1a、1a’(层叠片7a、7a‘)的光耦合层5a、5a’对置，在x方向及y方向上将蜂窝状的区域错开半周期校准而叠合，用粘接层6a进行UV固化、固定，完成单色波导片8a。将光栅5g的间距不同的单色波导片从间距较小者向较大者向下叠合，在最表面配置保护片19a，在最下面配置反射片19b，在各片间使珠状间隔件32较薄地扩散而确保均匀的空气间隙，将整体固定，完成波导片8。在珠状间隔件32与各片基板的触点，光泄漏，但只要珠状间隔件32的密度较小就不成为问题。
[效果等]
如以上说明，实施方式1的波导片8是取入被入射的入射光、在内部沿与该入射光的入射方向交叉的方向引导光的波导片8。
波导片8中，光耦合层5周期性地具备微细的同心圆状的光栅5g的部分图样，由此具备放射角比入射角大的广角化效果，对其加上光的非干涉性，能够限制较大的波长范围、较大的角度范围的入射光11。此外，通过将数十层的透光层层叠而形成光耦合层5，能够确保充分的耦合效率、限制效率。因此，例如如果入射光11是太阳光，则波导片8能够遍及较大的面积以较大的波长范围、较大的角度范围取入太阳光，将取入的光有效地限制在波导片8内部，从端面8e释放。
此外，光电变换装置100具备波导片8和接受光的光电变换元件9。光电变换元件9配置在位于与受光方向交叉的方向的波导片8的端面8e的附近。
由此，波导片8能够将所取入的入射光11作为限制光12有效地向光电变换元件9引导。因此，根据光电变换装置100，例如与由光电变换元件9直接接受入射光11的情况相比，光电变换元件9能够接受较多的光。即，根据光电变换装置100，例如与由光电变换元件9直接接受入射光11的情况相比，能够以较小的面积产生较多的电力。换言之，根据光电变换装置100，由于由波导片8以较大的面积取入来自外部的入射光11，能够将所取入的入射光11高效地向光电变换元件9引导，所以能够将入射光11高效地进行光电变换。
(实施方式2)
以下，使用图15～图17说明实施方式2。
实施方式2除了光栅的部分图样不同以外与全部实施方式1相同，省略重复的说明。
图15是用来说明有关实施方式2的波导片内的光耦合构造和光的传播路径的示意性的立体图。光耦合层5的光栅5g2的部分图样不是同心圆、而是同心多边形，同心的中心是正六边形的中心。在图15中表示了同心12边形的例子。
入射光11i的一部分在光耦合层5L2中耦合而被变换为波导光11g，在光耦合层内传播。波导光11g在与输入位置接近的正六边形内的光耦合层5R2中向上下放射，成为放射光11r。放射光11r的放射角(相对于光耦合层的面法线的角度)必定比入射光11i的入射角(相对于光耦合层的面法线的角度)大。例如，如果将入射光11i的扩散用SI表示，则放射光11r的扩散成为SR那样，向广角侧扩大。该原理对于全部的入射角的光成立。在实施方式1中，是也存在与入射角相同的角度的连续的扩散(参照图3)，但在实施方式2中不存在相同的角度，是全部为广角的离散的分布。
为了验证在图15中说明的广角化效果，进行了基于FDTD的电磁解析。
图16是基于FDTD的电磁解析的解析模型，图16的(a)是同心正18边形的光栅5g8的部分图样，(b)是同心正12边形的光栅5g2的部分图样的平面图。
在图16中，光栅的部分图样以外的解析条件及光源的配置与图5相同，光的入射在光耦合层5R2、5R8中进行，放射光15a、15b是从光耦合层5L2放射的光。
图17的(a)、(b)、(c)、(d)都是表示光的远场的指向性的强度分布图，图17的(a)、(b)是与图16的(a)中的来自光耦合层5L8的放射光15a、15b对应的分布图，图17的(c)、(d)是与图16的(b)中的来自光耦合层5L2的放射光15a、15b对应的分布图，横轴、纵轴的定义与图6相同。
在图17的(a)、(b)中，强度分布(箭头B)以与NA＝0.42的圆外接的方式扩散，延伸到针对空气的全反射条件(NA＝1/n＝0.69，n(低折射率层4的折射率)＝1.45)的外侧。强度分布的扩散不是如图6那样连续性的，而是广角化的效果更强的离散的分布。另外，箭头C的强度分布是解析误差(这是因为，因光栅间隔的极限而在光栅的形状表现上留有随机性，波导光的一部分散射)。在图17的(c)、(d)中，离散间隔进一步扩散，几乎全部的分布存在于全反射条件的外侧。
根据图17中的解析结果可知，本实施方式中广角化效果(放射光的NA必定比入射光的NA大)强到实施方式1以上。因而，能够以比实施方式1少的片数期待同等的光限制(陷光)效果。
(实施方式3)
以下，说明实施方式3。
实施方式3除了光耦合层5的膜厚条件不同以外，全部与实施方式1、2相同，省略重复的说明。
如图2的(c)所示，光耦合层5a通过将Ta2O5或SiN等的高折射率层3a与SiO2等的低折射率层4a交替地层叠而形成。为了使波导光11ga的有效折射率一致，高折射率层3a的膜厚优选的是与层叠次序无关地都为一定，但对于低折射率层4a的膜厚没有限制条件。如果将低折射率层4a的膜厚与层叠顺序无关地都设为一定，则层叠构造整体作为分散特性较大的光学滤波器发挥作用。例如如果拥有将特定波长的光反射的特性，则不能使该波长的光耦合，光的限制性能劣化。在实施方式3中，关于低折射率层4a的膜厚，从(限制中心波长)/(低折射率层的折射率的4倍)到(限制中心波长)/(低折射率层的折射率的2倍)的范围中随机地设定。通过这样，由于来自各层叠面的反射光其相位在π到2π之间随机地变化，所以能够使合成的反射光的反射率变小。因而，层叠构造整体的分散特性较小，能够防止特定波长下的限制性能的劣化。
(其他实施方式)
如以上这样，作为在本申请中公开的技术的例示而说明了实施方式1、2、3。但是，本发明的技术并不限定于此，也能够适用于适当进行了变更、替换、附加、省略等的实施方式。此外，也可以将在上述实施方式1、2、3中说明的各构成要素组合而做成新的实施方式。所以，以下例示其他实施方式。
例如，在以上的实施方式中，假设光栅是透光层的表面的凹凸形状而进行了说明，但并不限定于此。例如，光栅也可以是形成在该透光层内部的有折射率差的周期构造。
此外，也可以考虑将以上的实施方式任意地组合的结构，在具有与实施方式1同样的光限制效果、并且在波导片端面设置太阳能电池等的光电变换元件、接受被取入的光的情况下，即使通过将片的厚度构成得较薄而将光电变换元件的面积大幅地减小，也能够实现光电变换装置的低成本化。
如以上这样，作为本发明的技术的例示而说明了实施方式。为此，提供了附图及详细的说明。
因而，在附图及详细的说明所记载的构成要素之中，不仅包括为了课题解决所必须的构成要素，为了例示上述技术，也可以包括并不是为了课题解决而必须的构成要素。因此，不应因为这些不是必须的构成要素记载在附图及详细的说明中就直接做出这些不是必须的构成要素为必须的认定。
此外，上述的实施方式用来例示本发明的技术，所以可以在权利要求书或其等价的范围中进行各种变更、替换、附加、省略等。
产业上的可利用性
本发明的波导片对于能够以较大的面积取入光的光学片是有用的。此外，使用本发明的波导片的光电变换装置由于例如能够以较大的面积跨较大的角度、较大的波长的范围(例如可视光全域)来取入太阳光，所以对于太阳光发电装置等是有用的。
标号说明
100 光电变换装置
1a、1a’ 片基板
1as、1as’ 相反侧的表面
2a、2a’ 片基板层叠侧的表面
3、3a、3a’ 高折射率层(透光层)
4、4a、4a’ 低折射率层(缓冲层)
5、5a、5a’、5L、5R、5L2、5R2 光耦合层
5g、5g2、5g8 光栅(衍射光栅)
6a 粘接层
7a、7a’ 层叠片
8 波导片
8e 波导片的端面
8a，8b，8c，…，8j 单色波导片
9 光电变换元件
10 反射镜
11、11’、11i、11ia、11a、11b、11c、11d、11A、11B、11C、11D、11A’、11B’、11C’、11D’入射光
11r、11ra、11a’、11b’、11c’ 放射光
11g、11ga 波导光
12、12a、12b、12c、12d 限制光
15a、15b、15c、15d 放射光
16a、16A 入射光
18a、18A、18a’、18A’ 耦合区域
19a 保护片
19b 反射片
20 透光层
21 环境介质
22g 衍射光栅
23a、23a’ 入射光
23b、23b’ 波导光
32 珠状间隔件

Claims (10)

1.一种波导片，取入所入射的入射光，在内部沿与上述入射光的入射方向交叉的方向引导光，其特征在于，具备：
低折射率层；
透光层，与上述低折射率层层叠，折射率比上述低折射率层高；以及
衍射光栅，形成在上述透光层上，改变上述入射光的行进方向；
上述衍射光栅的图样被分割为多个部分图样；
上述多个部分图样分别是同心圆或同心多边形的形状。
2.如权利要求1所述的波导片，其特征在于，
上述衍射光栅的图样被分割为蜂窝状。
3.如权利要求1或2所述的波导片，其特征在于，
上述衍射光栅的间距在上述透光层内均匀。
4.如权利要求1～3中任一项所述的波导片，其特征在于，
上述透光层以在上述透光层之间夹着上述低折射率层的方式被层叠。
5.如权利要求4所述的波导片，其特征在于，
上述低折射率层的厚度按照层叠顺序而随机地不同。
6.一种波导片，其特征在于，
具备两片权利要求2所述的波导片；
两片上述波导片以上述透光层彼此对置、并且上述衍射光栅的图样相互错开的方式层叠而构成单色波导片。
7.如权利要求6所述的波导片，其特征在于，
具备多个上述单色波导片；
上述多个单色波导片的上述衍射光栅的间距相互不同；
上述多个单色波导片从上述入射光的入射侧起按照从上述衍射光栅的间距小的单色波导片到上述衍射光栅的间距大的单色波导片的顺序依次层叠。
8.如权利要求7所述的波导片，其特征在于，
在与上述入射光的入射侧相反的面配置有反射片。
9.如权利要求7所述的波导片，其特征在于，
在上述多个单色波导片之间配置有珠状间隔件，或者在上述多个单色波导片和配置在与上述入射光的入射侧相反的面的反射片之间配置有珠状间隔件。
10.一种光电变换装置，其特征在于，具备：
权利要求1所述的波导片；以及
光电变换元件，具有接受光的受光面，将由上述受光面接受的光变换为电力；
上述光电变换元件以上述受光面与上述波导片的端面对置地配置的方式配置在上述波导片的周围，上述波导片位于与上述入射光的上述入射方向交叉的方向上。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023035833A1 (zh) * 2021-09-07 2023-03-16 Oppo广东移动通信有限公司 波导结构和电子设备

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103403592A (zh) * 2011-11-29 2013-11-20 松下电器产业株式会社 取光板和棒以及使用了它们的光接收装置和发光装置
JP2014003309A (ja) * 2008-02-12 2014-01-09 Qualcomm Mems Technologies Inc ２層式薄膜ホログラフィック太陽光コレクタ及び太陽光コンセントレータ
WO2014199572A1 (ja) * 2013-06-13 2014-12-18 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 光取り込みシートおよび光取り込みロッド、ならびにそれらを用いた受光装置、発光装置および光ファイバー用増幅器

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20070033137A (ko) * 2005-09-21 2007-03-26 삼성전자주식회사 광학판, 이의 제조 방법 및 이를 갖는 표시 장치
TWI452710B (zh) * 2008-11-19 2014-09-11 Toppan Printing Co Ltd 光再利用薄片及太陽電池模組
JP5450450B2 (ja) * 2009-05-12 2014-03-26 パナソニック株式会社 シート及び発光装置
US20100288352A1 (en) * 2009-05-12 2010-11-18 Lightwave Power, Inc. Integrated solar cell nanoarray layers and light concentrating device
US20110080739A1 (en) * 2009-10-02 2011-04-07 Shantha Totada R Light with Replaceable Light Source
JP5650752B2 (ja) 2010-10-04 2015-01-07 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 光取り込みシートおよびロッド、ならびに、それらを用いた受光装置および発光装置
KR20130102679A (ko) * 2012-03-08 2013-09-23 삼성디스플레이 주식회사 광원 어셈블리 및 이를 포함하는 표시장치
JP6091883B2 (ja) * 2012-12-19 2017-03-08 株式会社東芝 集光体及び太陽電池
KR102594498B1 (ko) * 2016-09-30 2023-10-25 엘지디스플레이 주식회사 액정표시장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014003309A (ja) * 2008-02-12 2014-01-09 Qualcomm Mems Technologies Inc ２層式薄膜ホログラフィック太陽光コレクタ及び太陽光コンセントレータ
CN103403592A (zh) * 2011-11-29 2013-11-20 松下电器产业株式会社 取光板和棒以及使用了它们的光接收装置和发光装置
WO2014199572A1 (ja) * 2013-06-13 2014-12-18 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 光取り込みシートおよび光取り込みロッド、ならびにそれらを用いた受光装置、発光装置および光ファイバー用増幅器

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023035833A1 (zh) * 2021-09-07 2023-03-16 Oppo广东移动通信有限公司 波导结构和电子设备

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