JP2021027683A - Optical wireless power supply device and optical wireless power supply mobile object - Google Patents

Optical wireless power supply device and optical wireless power supply mobile object Download PDF

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Abstract

To provide an optical wireless power supply device capable of stably and efficiently supplying power by optical wireless power supply by optical beam such as laser beam to various mobile objects such as a drone existing in air, in water (especially in the sea), in space, or on lunar surface, and an optical wireless power supply mobile object.SOLUTION: An optical wireless power supply device includes: a planar reflector array 11 with a plurality of reflectors 11 arranged periodically in one direction through a transparent layer 12 with one principal surface serving as a light incident surface and another principal surface serving as a light emission surface; an asymmetrical surface optical waveguide 20 provided on the other principal surface of the reflector array 11 and composed to guide, in one direction, incident light making incident on one principal surface of the reflector mirror array 11 from outside and reflected by the reflector 11; and a power generating unit 30 composed of photoelectric convertors provided on an end on the light emission side of the asymmetrical surface optical waveguide 20. This optical wireless power supply device is installed on a mobile object such as a small sized unmanned object to be an optical wireless power supply mobile object.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、光無線給電装置および光無線給電移動体に関し、例えば、空中を移動する小型無人機や無人航空機、水中特に海水中を移動する小型無人機などの移動体、更には、月面で活動する探査車(ローバー)などの移動体に光無線により給電を行うのに適用して好適な光無線給電装置および光無線給電移動体に関する。 The present invention relates to an optical wireless power supply device and an optical wireless power supply mobile body, for example, a mobile body such as a small unmanned machine or an unmanned aircraft moving in the air, a small unmanned machine moving underwater, especially in seawater, or even on the moon surface. The present invention relates to an optical wireless power supply device and an optical wireless power supply mobile body suitable for supplying power to a moving body such as an active exploration vehicle (rover) by optical radio.

近年、空中、水中(特に海中)、宇宙空間に滞在中のドローンや衛星などへの電力供給などにおいて、光無線給電はますますその重要性が高まってきている。従来、このようなドローンなどへの光無線給電は、マイクロ波を用いたり、或いはドローンなどの本体の外面に太陽電池を設置し、この太陽電池に対してレーザービームを照射したりすることにより発電(光電変換)を行うのが一般的である(例えば、非特許文献1、2参照)。 In recent years, the importance of optical wireless power supply is increasing more and more in the supply of electric power to drones and satellites staying in the air, underwater (especially underwater), and outer space. Conventionally, optical wireless power supply to such drones is generated by using microwaves or by installing a solar cell on the outer surface of the main body of the drone and irradiating the solar cell with a laser beam. (Photoelectric conversion) is generally performed (see, for example, Non-Patent Documents 1 and 2).

また、小型のUAV(Unmanned Aerial Vehicle)やUGV(Unmanned Ground Vehicle)がオーダーにして10mから1kmの距離で10Wから1000Wのパワー伝送を必要とするのに対し、今後は、大型のUAVや災害時の探査・救助装置、地上から宇宙空間の衛星へのパワー供給など数kWから100kW級のパワー伝送も必要とされてくる。また5Gなどの次世代通信のインフラとして低高度衛星を数千機オーダー打ち上げ、それら衛星間のパワー伝送や情報伝送も今後益々重要となってくる。 In addition, while small UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) and UGVs (Unmanned Ground Vehicles) require power transmission of 10W to 1000W at a distance of 10m to 1km on order, in the future, large UAVs and disasters will occur. Power transmission of several kW to 100 kW class is also required, such as exploration / rescue equipment and power supply from the ground to satellites in outer space. In addition, thousands of low-altitude satellites will be launched as infrastructure for next-generation communication such as 5G, and power transmission and information transmission between these satellites will become more and more important in the future.

国際公開第2017/061448号パンフレットInternational Publication No. 2017/061448 Pamphlet 国際公開第2019/059342号パンフレットInternational Publication No. 2019/059342 Pamphlet

Phillip P. Jenkins, et. al., OWPT-5-064 OWPT2019, Yokohama,Japan, Apr. 23-25, 2019Phillip P. Jenkins, et. Al., OWPT-5-064 OWPT2019, Yokohama, Japan, Apr. 23-25, 2019 Yoshihiro Masui, et. al., OWPT-9-02 OWPT2019, Yokohama, Japan, Apr. 23-25, 2019Yoshihiro Masui, et. Al., OWPT-9-02 OWPT2019, Yokohama, Japan, Apr. 23-25, 2019 [令和元年7月31日検索]、インターネット〈URL:http://www.mhgopower.com/images/Cell_Datasheet _Rev _1.2 _07-09-2019.pdf〉[Search on July 31, 1945], Internet <URL: http://www.mhgopower.com/images/Cell_Datasheet _Rev _1.2 _07-09-2019.pdf>

上述の目標を達成するには、長距離間での制御性の良いパワー伝送、通信が必要となる。ビーム光の送達する位置決め精度とこれを受ける受光部の空間的許容範囲の掛け算で、送達効率は決まってくる。しかしながら、上述の従来の光無線給電システムでは、受光部の太陽電池でそのまま発電するので、長距離空間伝送してきたレーザービームの到達地点の場所の揺らぎのため、安定した高出力電力伝送が難しかった。特に、デバイスの高効率動作に好適な高電圧を得るべく、複数の光電変換素子を直列接続した受光器構造では、光出力が最小の光電変換素子に律速されて出力効率が決まるので、ますます高効率の駆動が難しくなる。また、レーザービームを使った長距離伝送が本来備えている特性を十分に生かすことができていない。 In order to achieve the above goals, well-controllable power transmission and communication over long distances are required. The delivery efficiency is determined by multiplying the positioning accuracy of the beam light delivered by the spatial tolerance of the light receiving unit that receives the beam light. However, in the above-mentioned conventional optical wireless power supply system, since the solar cell of the light receiving part generates electricity as it is, stable high output power transmission is difficult due to the fluctuation of the arrival point of the laser beam transmitted in the long-distance space. .. In particular, in a receiver structure in which a plurality of photoelectric conversion elements are connected in series in order to obtain a high voltage suitable for high-efficiency operation of the device, the light output is rate-determined by the minimum photoelectric conversion element, and the output efficiency is determined more and more. Highly efficient driving becomes difficult. In addition, the characteristics inherent in long-distance transmission using a laser beam have not been fully utilized.

そこで、この発明が解決しようとする課題は、空中、水中(特に海中)、宇宙空間あるいは月面などに滞在するドローンなどの各種の移動体にレーザービームなどの光ビームによる光無線給電により安定的かつ効率的に電力を供給することができる光無線給電装置および光無線給移動体を提供することである。 Therefore, the problem to be solved by the present invention is stable by optical wireless power supply by an optical beam such as a laser beam to various moving objects such as drones staying in the air, underwater (especially in the sea), space or the moon surface. It is an object of the present invention to provide an optical wireless power feeding device and an optical wireless feeding mobile body capable of efficiently supplying electric power.

上記課題を解決するために、この発明は、
受光部と、
上記受光部と空間的に分離して設けられた光電変換素子からなる発電部と、
上記受光部と上記発電部とを結び且つ光の進行方向を変換する機能を有する空間的に非対称な導波路とを有し、
上記発電部は上記導波路の光出射側の端部に設けられている光無線給電装置である。
In order to solve the above problems, the present invention
Light receiving part and
A power generation unit composed of a photoelectric conversion element spatially separated from the light receiving unit,
It has a spatially asymmetric waveguide that connects the light receiving unit and the power generation unit and has a function of converting the traveling direction of light.
The power generation unit is an optical wireless power feeding device provided at an end of the waveguide on the light emitting side.

この光無線給電装置においては、受光部と発電部(光電変換部)とが互いに空間的に分離していることにより、光経路の揺らぎに対する耐性を飛躍的に向上させることができる。また、受光部と発電部とを結び且つ光の進行方向を変換する機能を有する導波路を空間的に非対称な構造とすることにより、3次元伝搬光を2次元導波光へと非可逆的に変換(3次元伝搬光から2次元導波光に行ったきりに)することができる。好適には、発電部を構成する光電変換素子の、導波路の光出射側の端部に面する表面の反射率を5%以下と低く、特に例えば1%〜2%とする。こうすることで、導波路内を導波されて導波路の光出射側の端部から出射される2次元導波光が光電変換素子の表面で反射されることによる時間反転相当波の発生を抑制することができる。 In this optical wireless power feeding device, since the light receiving unit and the power generation unit (photoelectric conversion unit) are spatially separated from each other, the resistance to fluctuation of the optical path can be dramatically improved. In addition, the three-dimensional propagating light is irreversibly converted into two-dimensional waveguide light by forming a spatially asymmetrical structure of the waveguide that connects the light receiving unit and the power generation unit and has a function of converting the traveling direction of light. It can be converted (just as it goes from 3D propagating light to 2D waveguide light). Preferably, the reflectance of the surface of the photoelectric conversion element constituting the power generation unit facing the end on the light emitting side of the waveguide is as low as 5% or less, particularly 1% to 2%. By doing so, it is possible to suppress the generation of a time-reversal equivalent wave due to the two-dimensional waveguide light emitted from the end of the waveguide on the light emitting side, which is waveguideed in the waveguide and reflected on the surface of the photoelectric conversion element. can do.

上記の光無線給電装置の発明に対し、より具体的な下位の発明として次の発明がある。即ち、この発明は、
複数の反射鏡が透明層を介して一方向に周期的に配置され、一方の主面が光入射面を構成し、他方の主面が光出射面を構成する平板状の反射鏡アレイと、
上記反射鏡アレイの上記他方の主面に設けられ、外部より上記反射鏡アレイの上記一方の主面に入射して上記反射鏡で反射されることにより入射した光が一方向に導波されるように構成された非対称面状光導波路と、
上記非対称面状光導波路の光出射側の端部に設けられた光電変換素子からなる発電部と、
を有する光無線給電装置である。
In contrast to the above invention of the optical wireless power feeding device, there are the following inventions as more specific subordinate inventions. That is, the present invention
A flat-plate reflector array in which a plurality of reflectors are periodically arranged in one direction via a transparent layer, one main surface constitutes a light incident surface and the other main surface constitutes a light emitting surface.
The incident light is waveguideed in one direction by being provided on the other main surface of the reflector array and incident on the one main surface of the reflector array from the outside and reflected by the reflector. With an asymmetric specular optical waveguide configured as
A power generation unit composed of a photoelectric conversion element provided at the end of the asymmetric surface optical waveguide on the light emitting side,
It is an optical wireless power supply device having.

この光無線給電装置の発明においては、反射鏡アレイおよび非対称面状光導波路がそれぞれ上記の上位概念の発明の光無線給電装置における受光部および受光部と発電部とを結び且つ光の進行方向を変換する機能を有する空間的に非対称な導波路に相当する。 In the invention of this optical wireless power feeding device, the reflector array and the asymmetric planar optical waveguide connect the light receiving portion and the light receiving portion and the power generating unit in the optical wireless feeding device of the invention of the above-mentioned superordinate concept, respectively, and determine the traveling direction of light. It corresponds to a spatially asymmetric waveguide that has the function of converting.

反射鏡アレイとしては、例えば特許文献1に記載のものを用いることができる。反射鏡アレイにおける反射鏡の断面形状および配置は、外部から入射するレーザービームなどの光ビームが、非対称面状光導波路を直射することなく(即ち、まず必ず反射鏡に入射して反射されてから)、かつ、一つの反射鏡で反射された光が隣の反射鏡に入射して散乱されることのないように設定される。反射鏡の断面形状は、好適には、光ビームが入射する一方の主面側から他方の主面側(非対称面状光導波路の側)に向かって凸の放物線状の形状を有する。このように反射鏡の断面が放物線状の形状を有することにより、放物線の2回対称の軸に平行な方向から当該反射鏡に入射する光は放物線の焦点に向かって反射されるようにすることができ、それによって非対称面状光導波路に入射する光の入射角度を一定範囲内に絞り込むことができる。光無線給電装置に入射する光ビームの方向が一定であり、この光ビームが光無線給電装置に垂直方向から入射する場合、好適には、放物線の軸は非対称面状光導波路にほぼ垂直に選ばれる。あるいは、反射鏡アレイ上にさらに光波進行方向変換層が設けられる場合には、放物線の軸は、好適には、この光波進行方向変換層による進行方向変換後の方向に平行に選ばれる。光波進行方向変換層としては、例えば、光波進行方向変換シートが用いられる。反射鏡と非対称面状光導波路との幾何学的交点は、好適には、直線状または円弧状の形状を有する。複数の反射鏡が設けられる場合、これらの反射鏡と非対称面状光導波路との幾何学的交点は、複数の直線状または非対称面状光導波路の光出射側の端面上の1点を中心とする同心円弧状の形状を有する。前者では、非対称面状光導波路上に反射鏡が非対称面状光導波路に平行な一方向に周期的に複数設けられて反射鏡アレイが形成される。反射鏡の材料は、この光無線給電装置で対象とする波長帯の光に対して高い反射率を得ることができる材料であれば、基本的にはどのようなものであってもよいが、好適には、例えば、銀(Ag)、銀合金(Ag−Pdなど)、アルミニウム(Al)などの金属が用いられる。典型的には、非対称面状光導波路上に反射鏡と透明層とが非対称面状光導波路の一方の主面に沿って交互に複数設けられるが、これに限定されるものではない。透明層は、好適には、非対称面状光導波路を構成する透明物質とほぼ等しい屈折率を有する透明物質(透明ガラスや透明樹脂など)からなる。 As the reflector array, for example, the one described in Patent Document 1 can be used. The cross-sectional shape and arrangement of the reflector in the reflector array is such that a light beam such as a laser beam incident from the outside does not directly hit the asymmetric planar optical waveguide (that is, it is always first incident on the reflector and reflected). ), And the light reflected by one reflector is set so as not to be incident on the adjacent reflector and scattered. The cross-sectional shape of the reflector preferably has a parabolic shape that is convex from one main surface side on which the light beam is incident to the other main surface side (the side of the asymmetrical optical waveguide). By having the cross section of the reflecting mirror having a parabolic shape in this way, the light incident on the reflecting mirror from the direction parallel to the axis of the two-fold symmetry of the parabola is reflected toward the focal point of the parabola. This allows the angle of incidence of light incident on the asymmetric planar optical waveguide to be narrowed down within a certain range. When the direction of the light beam incident on the optical wireless power feeding device is constant and the optical beam is incident on the optical wireless power feeding device from the vertical direction, the axis of the parabola is preferably selected substantially perpendicular to the asymmetric planar optical waveguide. Is done. Alternatively, when a light wave traveling direction conversion layer is further provided on the reflector array, the axis of the parabola is preferably selected to be parallel to the direction after the traveling direction conversion by the light wave traveling direction conversion layer. As the light wave traveling direction changing layer, for example, a light wave traveling direction changing sheet is used. The geometric intersection of the reflector and the asymmetric plane optical waveguide preferably has a linear or arcuate shape. When a plurality of reflectors are provided, the geometrical intersection of these reflectors and the asymmetric planar waveguide is centered on one point on the end face of the plurality of linear or asymmetric planar waveguides on the light emitting side. It has a concentric arcuate shape. In the former, a plurality of reflectors are periodically provided on the asymmetric surface optical waveguide in one direction parallel to the asymmetric surface optical waveguide to form a reflector array. The material of the reflector may be basically any material as long as it can obtain a high reflectance for light in the wavelength band targeted by this optical wireless power feeding device. Preferably, for example, a metal such as silver (Ag), a silver alloy (Ag-Pd or the like), or aluminum (Al) is used. Typically, a plurality of reflectors and transparent layers are alternately provided along one main surface of the asymmetrical optical waveguide on the asymmetrical optical waveguide, but the present invention is not limited to this. The transparent layer is preferably made of a transparent material (transparent glass, transparent resin, etc.) having a refractive index substantially equal to that of the transparent material constituting the asymmetric planar optical waveguide.

反射鏡アレイは上記のものに限定されず、例えば、特許文献2に記載の光導波装置におけるクラッド層(特許文献2の図1のクラッド層12)を用いることができる。このクラッド層は実質的に反射鏡アレイと同様に機能する。即ち、導波コア層と、上記導波コア層を不連続に被覆するクラッド層とを有し、上記クラッド層は、上記導波コア層を被覆していない断絶部の端部と、上記断絶部に対して上記導波コア層の導波方向と反対側でかつ上記導波コア層から離れた位置との間に延在し、上記導波コア層の導波方向に向かって上記導波コア層に次第に近づき、かつ上記断絶部の上記端部における接線が上記導波コア層に平行(タンジェンシャル)またはほぼ平行になるように設けられた構造をその一部に有し、上記クラッド層の上記断絶部に上記クラッド層で被覆された光導入コア層が上記導波コア層と合流するように設けられている光導波装置におけるクラッド層を反射鏡アレイとして用いることができる。導波コア層を不連続に被覆するクラッド層は離散的併進対称性を有する。 The reflector array is not limited to the above, and for example, a clad layer (clad layer 12 in FIG. 1 of Patent Document 2) in the optical waveguide device described in Patent Document 2 can be used. This clad layer functions substantially like a reflector array. That is, it has a waveguide core layer and a clad layer that discontinuously covers the waveguide core layer, and the clad layer includes an end portion of a disconnection portion that does not cover the waveguide core layer and the disconnection portion. It extends between the side of the waveguide core layer and the position opposite to the waveguide direction and away from the waveguide core layer, and is directed toward the waveguide direction of the waveguide core layer. Part of the clad layer has a structure that gradually approaches the core layer and is provided so that the tangent line at the end of the discontinuity is parallel (tangential) or substantially parallel to the waveguide core layer. The clad layer in the optical waveguide device in which the light-introducing core layer coated with the clad layer is provided so as to join the waveguide core layer can be used as a reflector array. The clad layer that discontinuously covers the waveguide core layer has discrete translational symmetry.

非対称面状光導波路は、典型的には、光出射側の端面に向かって断面積が徐々に増加する楔状の形状(あるいはテーパー形状)を有する。このような楔状の非対称面状光導波路では、この非対称面状光導波路の光入射面から内部に入射した光は、この非対称面状光導波路の二つの主面で交互に反射されながら断面積が大きくなる向きに導波され、最終的に非対称面状光導波路の光出射側の端部に設けられた発電部に入射する。非対称面状光導波路は、平面状光導波路であっても、曲面状光導波路であってもよい。また、非対称面状光導波路の平面形状は必要に応じて選ばれるが、典型的には、四角形、例えば長方形または正方形の形状を有する。この場合、必要に応じて、非対称面状光導波路の光出射端面を除いた端面、例えば、非対称面状光導波路が四角形の形状を有し、その互いに対向する一対の辺のうちの少なくとも一方の辺に相当する非対称面状光導波路の端面の全部または一部が光出射端面となる場合にはこの四角形の上記の互いに対向する一対の辺と異なる一対の辺のうちの少なくとも一方の辺に相当する非対称面状光導波路の端部に光反射機構が設けられる。この場合、非対称面状光導波路の主面に入射した光が非対称面状光導波路内を導波される際にこの光反射機構に入射すると反射され、光出射端面に向かう方向に光路が曲げられることにより、光出射端面から取り出すことができる光の量が多くなる。この光反射機構は、例えば、非対称面状光導波路の側面に設けられた光反射膜や非対称面状光導波路の側面が鏡面に構成されたものである。 The asymmetric planar optical waveguide typically has a wedge-shaped (or tapered) shape in which the cross-sectional area gradually increases toward the end face on the light emitting side. In such a wedge-shaped asymmetrical optical waveguide, the light incident inside from the light incident surface of the asymmetrical planar optical waveguide has a cross-sectional area while being alternately reflected by the two main surfaces of the asymmetrical planar optical waveguide. It is waveguide in a larger direction and finally incident on a power generation unit provided at an end on the light emitting side of the asymmetric planar optical waveguide. The asymmetric planar optical waveguide may be a planar optical waveguide or a curved optical waveguide. Further, the planar shape of the asymmetric planar optical waveguide is selected as necessary, but typically has a quadrangular shape, for example, a rectangular shape or a square shape. In this case, if necessary, the end face of the asymmetric surface optical waveguide excluding the light emitting end surface, for example, the asymmetric surface optical waveguide has a quadrangular shape, and at least one of a pair of opposite sides thereof. When all or part of the end face of the asymmetrical optical waveguide corresponding to the side is the light emitting end face, it corresponds to at least one side of the pair of sides different from the above-mentioned pair of opposite sides of this quadrangle. A light reflection mechanism is provided at the end of the asymmetrical optical waveguide. In this case, when the light incident on the main surface of the asymmetric specular optical waveguide is directed in the asymmetric specular optical waveguide, it is reflected when it enters the light reflection mechanism, and the optical path is bent in the direction toward the light emitting end surface. As a result, the amount of light that can be extracted from the light emitting end face is increased. In this light reflection mechanism, for example, a light reflection film provided on the side surface of the asymmetric surface optical waveguide or the side surface of the asymmetric surface optical waveguide is formed as a mirror surface.

光電変換素子からなる発電部(光電変換部)の構成は特許文献1に記載のものを用いることができる。発電部は、非対称面状光導波路の光出射側の端部に設けられた光電変換用の半導体層を有する。この半導体層の上下の互いに対向する一対の面にそれぞれ第1の電極および第2の電極が設けられる。これらの第1の電極および第2の電極の一方はアノード電極、他方はカソード電極として用いられる。半導体層がpn接合を有する場合、そのpn接合面は、非対称面状光導波路の一方の主面に垂直または平行である。平行な場合は、典型的には、非対称面状光導波路の内部を導波される光の正味の進行方向と、非対称面状光導波路の端面から半導体層に入射した光により半導体層中に生成されるキャリアの正味の移動方向とのなす角度Θがほぼ直角である。Θは、具体的には、例えば、π/2−δ≦Θ≦π/2+δに選ばれる。ただし、δは、第1の電極および第2の電極のうちのアノード電極として用いられるものの、半導体層内の光の進行方向に平行な方向の幅(電極幅)に対する半導体層の厚さの比に対応し、δ〜半導体層の厚さ/電極幅である。典型的には、非対称面状光導波路と半導体層とは互いに一体に設けられ、例えば、それらの端部同士が接合されて一体化される。 As the configuration of the power generation unit (photoelectric conversion unit) composed of the photoelectric conversion element, the one described in Patent Document 1 can be used. The power generation unit has a semiconductor layer for photoelectric conversion provided at an end on the light emitting side of the asymmetric planar optical waveguide. A first electrode and a second electrode are provided on a pair of upper and lower surfaces of the semiconductor layer facing each other, respectively. One of these first and second electrodes is used as an anode electrode and the other as a cathode electrode. When the semiconductor layer has a pn junction, the pn junction surface is perpendicular or parallel to one main surface of the asymmetric planar waveguide. In the case of parallel, it is typically generated in the semiconductor layer by the net direction of travel of the light guided inside the asymmetric planar waveguide and the light incident on the semiconductor layer from the end face of the asymmetric planar waveguide. The angle Θ formed by the net moving direction of the carrier to be made is approximately a right angle. Specifically, Θ is selected, for example, π / 2-δ ≦ Θ ≦ π / 2 + δ. However, although δ is used as the anode electrode among the first electrode and the second electrode, the ratio of the thickness of the semiconductor layer to the width (electrode width) in the direction parallel to the traveling direction of light in the semiconductor layer. Corresponding to δ to the thickness / electrode width of the semiconductor layer. Typically, the asymmetric planar optical waveguide and the semiconductor layer are provided integrally with each other, and for example, their ends are joined and integrated.

好適には、光無線給電装置に光が入射する際に半導体層に光が直接入射しないように構成される。言い換えると、光無線給電装置に光が入射する場合、反射鏡アレイには光が入射するが、半導体層の面には光が直接入射しない。こうすることで、半導体層に直接入射する光により半導体層が加熱されて温度が上昇するのを防止することができるので、半導体層の特性劣化を防止することができ、ひいては、熱として散逸するエネルギーも少ないことと相まって、この発電部の光電変換効率の低下を防止することができ、高い光電変換効率を得ることができる。 Preferably, when the light is incident on the optical wireless power feeding device, the light is not directly incident on the semiconductor layer. In other words, when light is incident on the optical wireless power feeding device, the light is incident on the reflector array, but the light is not directly incident on the surface of the semiconductor layer. By doing so, it is possible to prevent the semiconductor layer from being heated by the light directly incident on the semiconductor layer and the temperature from rising, so that it is possible to prevent deterioration of the characteristics of the semiconductor layer and, by extension, dissipate as heat. Coupled with the small amount of energy, it is possible to prevent a decrease in the photoelectric conversion efficiency of the power generation unit, and it is possible to obtain a high photoelectric conversion efficiency.

半導体層は、無機半導体または有機半導体からなり、典型的には、p型半導体層とn型半導体層とからなるpn接合であり、そのpn接合面は、上述の通り非対称面状光導波路の主面に平行または垂直である。半導体層の厚さは、この半導体層内のキャリアの拡散長の関数を勘案して適宜選ばれるが、pn接合面が非対称面状光導波路の主面に平行な場合、好適には100nm以上100μm以下、pn接合面が非対称面状光導波路の主面に垂直な場合、好適には1μm以上500μm以下である。半導体層を構成する半導体は、アモルファス(非晶質)、多結晶、単結晶のいずれの形態のものであってもよい。 The semiconductor layer is a pn junction composed of an inorganic semiconductor or an organic semiconductor, typically a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer, and the pn junction surface is mainly the asymmetric planar optical waveguide as described above. Parallel or perpendicular to the plane. The thickness of the semiconductor layer is appropriately selected in consideration of the function of the diffusion length of the carriers in the semiconductor layer, but when the pn junction surface is parallel to the main surface of the asymmetric planar optical waveguide, it is preferably 100 nm or more and 100 μm. Hereinafter, when the pn junction surface is perpendicular to the main surface of the asymmetric planar optical waveguide, it is preferably 1 μm or more and 500 μm or less. The semiconductor constituting the semiconductor layer may be in any form of amorphous, polycrystalline, or single crystal.

無機半導体としては、CdSe、PbS、PbSe、PbTeなどのII−VI族化合物半導体、GaSb、InAs、InN、AlInN、GaInN、GaN、AlGaN、GaAsN、GaPNなどのIII−V族化合物半導体、SiやSiGeなどのIV族半導体、Six Gey Sn1-x-y O、SiNx 、SiOx 、CIS(CuInSe)、CIGS(CuInGaSe)、CuInGaSeTeなどを用いることができる。これらの半導体は、例えば、In、GaなどのIII族元素の組成比の制御や硫黄(S)の混合などによってバンドギャップを制御することができるのが特徴である。半導体層は、これらの無機半導体からなる微粒子により構成することもできる。 Examples of the inorganic semiconductor include II-VI compound semiconductors such as CdSe, PbS, PbSe, and PbTe, III-V compound semiconductors such as GaSb, InAs, InN, AlInN, GaInN, GaN, AlGaN, GaAsN, and GaPN, and Si and SiGe. group IV semiconductors such as, Si x Ge y Sn 1- xy O, SiN x, SiO x, CIS (CuInSe), CIGS (CuInGaSe), or the like can be used CuInGaSeTe. These semiconductors are characterized in that the band gap can be controlled by, for example, controlling the composition ratio of group III elements such as In and Ga and mixing sulfur (S). The semiconductor layer can also be composed of fine particles made of these inorganic semiconductors.

有機半導体としては、有機太陽電池の材料として一般的に報告されているものは全て用いることができるが、具体的には、ペンタセンなどのポリアセン、ポリアセチレン(好ましくは二置換型ポリアセチレン)、ポリ(p−フェニレンビニレン)、ポリ(2,5−チエニレンビニレン)、ポリピロール、ポリ(3−メチルチオフェン)、ポリアニリン、ポリ(9,9−ジアルキルフルオレン)(PDAF)、ポリ(9,9−ジオクチルフルオレン−co−ビチオフェン)(F8T2)、ポリ(1−ヘキシル−2−フェニルアセチレン)(PHX PA)(発光材料としては青色の発光を示す)、ポリ(ジフェニルアセチレン)誘導体(PDPA−nBu)(発光材料としては緑色の発光を示す)、ポリ(ピリジン)(PPy)、ポリ(ピリジルビニレン)(PPyV)、シアノ置換型ポリ(p−フェニレンビニレン)(CNPPV)、ポリ(3,9−ジ−tert−ブチルインデノ[1,2−b]フルオレン(PIF)などを用いることができる。これらの有機半導体のドーパントについては、ドナーとしてはアルカリ金属(Li、Na、K、Cs)を用いることができ、アクセプタとしてはハロゲン類(Br2 、I2 、CI2 )、ルイス酸(BF3 、PF5 、AsF5 、SbF5 、SO3 )、遷移金属ハロゲン化物(FeCl3 、MoCl5 、WCl5 、SnCl4 )、有機アクセプタ分子としてはTCNE、TCNQを用いることができる。また、電気化学ドーピングに用いられるドーパントイオンは、陽イオンとしてはテトラエチルアンモニウムイオン(TEA+ )、テトラブチルアンモニウムイオン(TBA+ )、Li+ 、Na+ 、K+ 、陰イオンとしてはClO4 - 、BF4 - 、PF6 - 、AsF6 - 、SbF6 - などを用いることができる。有機半導体としてはさらに、高分子電解質を用いることもできる。この高分子電解質の具体例を挙げると、ポリアニオンとしては、サルフォネートポリアニリン、ポリ(チオフェン−3−酢酸)、サルフォネートポリスチレン、ポリ(3−チオフェンアルカンサルフォネート)など、ポリカチオンとしては、ポリアリルアミン、ポリ(p−フェニレン−ビニレン)前駆体高分子、ポリ(p−メチルピリジニウムビニレン)、プロトン化ポリ(p−ピリジルビニレン)、ポロトン(2−N−メチルピリジニウムアセチレン)などを用いることができる。半導体層として低不純物濃度にドープされた有機半導体層を用いる場合、この有機半導体層はヘテロジャンクション型あるいはバルクヘテロジャンクション型の構造とすることができる。ヘテロジャンクション型構造の有機半導体層においては、p型有機半導体膜およびn型有機半導体膜とを第1の電極および第2の電極と接触するように接合する。バルクヘテロジャンクション型構造の有機半導体層は、p型有機半導体分子とn型有機半導体分子との混合物からなり、p型有機半導体とn型有機半導体とが互いに入り組んで互いに接触した微細構造を有する。 As the organic semiconductor, all materials generally reported as materials for organic solar cells can be used, but specifically, polyacetylene such as pentacene, polyacetylene (preferably disubstituted polyacetylene), and poly (p). -Phenylene vinylene), poly (2,5-thienylene vinylene), polypyrrole, poly (3-methylthiophene), polyaniline, poly (9,9-dialkylfluorene) (PDAF), poly (9,9-dioctylfluorene)- co-bithiophene) (F8T2), poly (1-hexyl-2-phenylacetylene) (PH X PA) (shows blue luminescence as a luminescent material), poly (diphenylacetylene) derivative (PDPA-nBu) (luminescent material) (Shows green luminescence), poly (pyridine) (PPy), poly (pyridylbinylene) (PPyV), cyano-substituted poly (p-phenylene vinylene) (CNPPV), poly (3,9-di-tert- Butyl indeno [1,2-b] fluorene (PIF) and the like can be used. For the dopants of these organic semiconductors, alkali metals (Li, Na, K, Cs) can be used as donors, and as acceptors. Are halogens (Br 2 , I 2 , CI 2 ), Lewis acids (BF 3 , PF 5 , AsF 5 , SbF 5 , SO 3 ), transition metal halides (FeCl 3 , MoCl 5 , WCl 5 , SnCl 4 ). TCNE and TCNNQ can be used as the organic acceptor molecule, and the dopant ions used for electrochemical doping are tetraethylammonium ion (TEA + ), tetrabutylammonium ion (TBA + ), and Li + as cations. , Na +, K +, ClO 4 as the anion -, BF 4 -, PF 6 -, AsF 6 -, SbF 6 -. or the like can be used further as the organic semiconductor, also possible to use a polymer electrolyte Specific examples of this polymer electrolyte include polycations such as sulphonate polyaniline, poly (thiophene-3-acetic acid), sulphonate polystyrene, and poly (3-thiophene alkansulfonate). Examples include polyallylamine, poly (p-phenylene-vinylene) precursor polymer, poly (p-methylpyridinium vinylene), and protonated poly (p-pyridylbinile). , Poloton (2-N-methylpyridinium acetylene) and the like can be used. When an organic semiconductor layer doped with a low impurity concentration is used as the semiconductor layer, the organic semiconductor layer can have a heterojunction type or bulk heterojunction type structure. In the organic semiconductor layer having a heterojunction structure, the p-type organic semiconductor film and the n-type organic semiconductor film are bonded so as to be in contact with the first electrode and the second electrode. The organic semiconductor layer having a bulk heterojunction structure is composed of a mixture of a p-type organic semiconductor molecule and an n-type organic semiconductor molecule, and has a microstructure in which the p-type organic semiconductor and the n-type organic semiconductor are intertwined with each other and are in contact with each other.

半導体層を構成する半導体としては、無機半導体および有機半導体のほかに、有機無機ハイブリッド半導体を用いることもできる。このような有機無機ハイブリッド半導体としては、例えば、ペロブスカイト系半導体を用いることができる。 As the semiconductor constituting the semiconductor layer, an organic-inorganic hybrid semiconductor may be used in addition to the inorganic semiconductor and the organic semiconductor. As such an organic-inorganic hybrid semiconductor, for example, a perovskite-based semiconductor can be used.

好適には、第1の電極および第2の電極は半導体層とオーミック接触している。半導体層として有機半導体を用いる場合は、第1の電極および第2の電極は半導体層とオーミック接触していなくてもよい。第1の電極および第2の電極としては、金(Au)、ニッケル(Ni)、アルミニウム(Al)などの金属のほか、特にp型SiにはAl、n型SiにはAgを用いることが有効であり、インジウム−スズ酸化物(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化スズ(SnO)などの各種の透明導電性酸化物などを用いることができ、クロム、チタン、モリブデン等も合わせて用いることができるが、これに限定されるものではない。また、上記透明電極は、光電変換層である半導体層の電極として用いられた場合、その低屈折率性、ワイドギャップ性を以て、半導体層への進入光子の高導波特性、生成フォトキャリアの低表面再結合レートへと導き、結果として高光電変換効率を可能とする効果も有する。半導体層自体のバンドギャップを第1の電極および第2の電極に近づくにつれて大きくすることも少数キャリアの表面再結合を抑制するのに有効であり、同時に光の閉じ込めをする上でも効果を有するので2重に有効である。上記透明電極は、非対称面状光導波路の主面に対し垂直方向の半導体層の差し渡しの方向の両端に設ける、上記半導体層の屈折率より低屈折率の領域に相当する。 Preferably, the first electrode and the second electrode are in ohmic contact with the semiconductor layer. When an organic semiconductor is used as the semiconductor layer, the first electrode and the second electrode do not have to be in ohmic contact with the semiconductor layer. As the first electrode and the second electrode, in addition to metals such as gold (Au), nickel (Ni), and aluminum (Al), Al may be used for p-type Si and Ag may be used for n-type Si. It is effective, and various transparent conductive oxides such as indium-tin oxide (ITO), zinc oxide (ZnO), and tin oxide (SnO) can be used, and chromium, titanium, molybdenum, and the like are also used. It can, but is not limited to. Further, when the transparent electrode is used as an electrode of a semiconductor layer which is a photoelectric conversion layer, it has a low refractive index property and a wide gap property, so that it has a high waveguide characteristic of an ingress photon into the semiconductor layer and a generated photocarrier. It also has the effect of leading to a low surface recombination rate and, as a result, enabling high photoelectric conversion efficiency. Increasing the band gap of the semiconductor layer itself as it approaches the first electrode and the second electrode is also effective in suppressing the surface recombination of minority carriers, and at the same time, it is also effective in confining light. It is doubly effective. The transparent electrodes correspond to regions having a refractive index lower than the refractive index of the semiconductor layer provided at both ends in the direction of passing the semiconductor layer in the direction perpendicular to the main surface of the asymmetric planar optical waveguide.

好適には、半導体層のバンドギャップ、あるいは半導体層が有機半導体からなる場合にはHOMO(最高被占分子軌道)−LUMO(最低非占分子軌道)ギャップが光の進行方向に順に段階的および/または連続的に減少するようにする。こうすることで、例えば、光電変換装置の半導体層の主面に太陽光が入射した場合、この太陽光は、非対称面状光導波路内を導波されて半導体層に入射すると、バンドギャップあるいはHOMO−LUMOギャップが一番大きい半導体にまず入射し、最終的にバンドギャップが一番小さい半導体に入射することになり、この過程で太陽光スペクトルのうちの短い波長の光から長い波長の光に亘って順次吸収され、しかもこの吸収量は最大化される。このため、半導体層のバンドギャップあるいはHOMO−LUMOギャップの変化のさせ方および使用する半導体の種類によって、太陽光スペクトルの主要部あるいは実質的に全部の光を光電変換することができ、究極的には光電変換効率を理論最大効率に近づけることができる。典型的には、半導体層は、バンドギャップまたはHOMO−LUMOギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなり、各領域の互いに対向する一対の面に第1の電極および第2の電極が設けられ、これらの第1の電極および第2の電極のうちの少なくとも一方は各領域間で互いに分離して設けられる。 Preferably, the bandgap of the semiconductor layer, or the HOMO (highest occupied molecular orbital) -LUMO (lowest unoccupied molecular orbital) gap when the semiconductor layer is made of an organic semiconductor, is stepwise and / in the direction of light travel. Or try to decrease continuously. By doing so, for example, when sunlight is incident on the main surface of the semiconductor layer of the photoelectric conversion device, the sunlight is wavelengthed in the asymmetric planar optical waveguide and when it is incident on the semiconductor layer, the band gap or HOMO -The semiconductor with the largest LUMO gap is first incident, and finally the semiconductor with the smallest band gap is incident. In this process, light with a short wavelength to light with a long wavelength in the solar spectrum is incident. Is absorbed sequentially, and the amount of absorption is maximized. Therefore, depending on how the band gap or HOMO-LUMO gap of the semiconductor layer is changed and the type of semiconductor used, the main part or substantially all of the light in the sunlight spectrum can be photoelectrically converted, and ultimately. Can bring the photoelectric conversion efficiency closer to the theoretical maximum efficiency. Typically, the semiconductor layer consists of a plurality of regions in which the band gap or HOMO-LUMO gap gradually decreases in the traveling direction of light, and the first electrode and the first electrode and the first electrode and the first electrode are on a pair of opposite surfaces of each region. Two electrodes are provided, and at least one of these first and second electrodes is provided separately from each other between the regions.

好適には、半導体層はバンドギャップまたはHOMO−LUMOギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなり、各領域の光の進行方向の幅が、各領域のバンドギャップまたはHOMO−LUMOギャップと等しいエネルギーを有する光の各領域における吸収係数の逆数以上である。 Preferably, the semiconductor layer is composed of a plurality of regions in which the band gap or HOMO-LUMO gap gradually decreases in the light traveling direction, and the width of the light traveling direction in each region is the band gap or HOMO of each region. It is greater than or equal to the reciprocal of the absorption coefficient in each region of light having an energy equal to the −LUMO gap.

半導体層が、バンドギャップまたはHOMO−LUMOギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなる場合、これらの領域の例を挙げると、光の進行方向に順に、Six 1-x (0<x<1)からなる領域、Siからなる領域およびSiy Ge1-y (0<y<1)からなる領域、あるいは、Six 1-x からなる領域、Siからなる領域およびマイクロクリスタルSiy Ge1-y からなる領域、あるいは、AlGaN、GaNおよびIGZO(In、Ga、Znの酸化物)からなる群より選ばれた少なくとも一つの半導体を含む領域、Six 1-x からなる領域、Siからなる領域およびSiy Ge1-y からなる領域、あるいは、Six 1-x からなる領域、Siからなる領域、Siy Ge1-y からなる領域およびGeからなる領域である。 When the semiconductor layer consists of a plurality of regions in which the band gap or the HOMO-LUMO gap gradually decreases in the traveling direction of light, for example, Si x C 1 in the traveling direction of light. A region consisting of -x (0 <x <1), a region consisting of Si and a region consisting of Si y Ge 1-y (0 <y <1), or a region consisting of Si x C 1-x , consisting of Si. A region consisting of a region and microcrystal Si y Ge 1-y , or a region containing at least one semiconductor selected from the group consisting of AlGaN, GaN and IGZO (oxides of In, Ga, Zn), Si x C 1 A region consisting of -x, a region consisting of Si and a region consisting of Si y Ge 1-y , or a region consisting of Si x C 1-x , a region consisting of Si, a region consisting of Si y Ge 1-y and a region consisting of Ge. Area.

光電変換素子としては、Si素子を数個から数十、数百層直列接続した偏平な素子も有効である(非特許文献3参照)。 As the photoelectric conversion element, a flat element in which several to several tens or several hundred layers of Si elements are connected in series is also effective (see Non-Patent Document 3).

また、この発明は、
移動体と、
上記移動体に一体に設けられ、上記移動体に給電を行う光無線給電装置とを有し、
上記光無線給電装置が、
複数の反射鏡が透明層を介して一方向に周期的に配置され、一方の主面が光入射面を構成し、他方の主面が光出射面を構成する平板状の反射鏡アレイと、
上記反射鏡アレイの上記他方の主面に設けられ、外部より上記反射鏡アレイの上記一方の主面に入射して上記反射鏡で反射されることにより入射した光が一方向に導波されるように構成された非対称面状光導波路と、
上記非対称面状光導波路の光出射側の端部に設けられた光電変換素子からなる発電部と、
を有する光無線給電移動体である。
Moreover, this invention
With a mobile body
It has an optical wireless power feeding device that is integrally provided with the moving body and supplies power to the moving body.
The above optical wireless power supply device
A flat-plate reflector array in which a plurality of reflectors are periodically arranged in one direction via a transparent layer, one main surface constitutes a light incident surface and the other main surface constitutes a light emitting surface.
The incident light is waveguideed in one direction by being provided on the other main surface of the reflector array and incident on the one main surface of the reflector array from the outside and reflected by the reflector. With an asymmetric specular optical waveguide configured as
A power generation unit composed of a photoelectric conversion element provided at the end of the asymmetric surface optical waveguide on the light emitting side,
It is an optical wireless power supply mobile body having.

移動体は、基本的にはどのようなものであってもよいが、例えば、小型無人機、無人航空機、航空機、人工衛星、無人船舶、船舶、水中移動体、探査車(ローバー)、無人自動車、自動車などである。小型無人機あるいは無人航空機には、例えばドローン、ラジコン機、農薬散布ヘリコプターなどが含まれる。 The moving body may be basically any, but for example, a small unmanned aerial vehicle, an unmanned aerial vehicle, an aircraft, an artificial satellite, an unmanned ship, a ship, an underwater moving body, an exploration vehicle (rover), or an unmanned vehicle. , Automobiles, etc. Small unmanned or unmanned aerial vehicles include, for example, drones, radio-controlled aircraft, pesticide spraying helicopters, and the like.

この光無線給電移動体の発明においては、上記以外のことについては、特にその性質に反しない限り、上記の光無線給電装置の発明に関連して説明したことが成立する。 In the invention of the optical wireless power feeding mobile body, the matters other than the above have been described in relation to the invention of the optical wireless power feeding device, unless the property is contrary to the above.

この発明によれば、反射鏡アレイの一方の主面が光入射面となるため、光無線給電を受ける、空中、水中(特に海中)、地上、宇宙空間、月面などに滞在するドローンや無人機などの移動体、更には人工衛星、探査車などの移動体などの場所の揺らぎがあっても、光無線給電に用いる光ビームを光入射面に確実に入射させることができ、反射鏡アレイの反射鏡で光ビームを反射させて非対称面状光導波路に入射した後、この非対称面状光導波路内をこの非対称面状光導波路の非対称性により発電部に向かって導波させることができ、最終的に導波光を発電部に入射させて発電(光電変換)することができる。このため、空中などに滞在するドローンなどの各種の移動体に光ビームによる光無線給電により安定的かつ効率的に電力を供給することができる。 According to the present invention, since one main surface of the reflector array is a light incident surface, a drone or an unmanned person who receives optical radiopower and stays in the air, underwater (especially underwater), on the ground, in space, on the moon, etc. Even if there are fluctuations in the location of moving objects such as aircraft, or moving objects such as artificial satellites and exploration vehicles, the optical beam used for optical radio power supply can be reliably incident on the light incident surface, and the reflector array After the light beam is reflected by the reflector and incident on the asymmetric planar optical waveguide, the inside of the asymmetric planar optical waveguide can be made to waveguide toward the power generation unit due to the asymmetry of the asymmetric planar optical waveguide. Finally, the waveguide light can be incident on the power generation unit to generate power (photoelectric conversion). Therefore, it is possible to stably and efficiently supply electric power to various moving objects such as drones staying in the air by optical wireless power supply using an optical beam.

この発明の第1の実施の形態による光無線給電装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the optical wireless power feeding apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施の形態による光無線給電装置の平面形状の一例を示す平面図である。It is a top view which shows an example of the plan shape of the optical wireless power feeding device by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施の形態による光無線給電装置の反射鏡アレイの具体例を示す平面図である。It is a top view which shows the specific example of the reflector array of the optical wireless power feeding apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施の形態による光無線給電装置の反射鏡アレイの他の具体例を示す平面図である。It is a top view which shows the other specific example of the reflector array of the optical wireless power feeding apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施の形態による光無線給電装置の発電部付近の構成を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which enlarges and shows the structure of the vicinity of the power generation part of the optical wireless power feeding apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施の形態による光無線給電装置の発電部の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the power generation part of the optical wireless power feeding apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施の形態による光無線給電装置の反射鏡アレイの製造方法の具体例を示す略線図である。It is a schematic diagram which shows the specific example of the manufacturing method of the reflector array of the optical wireless power feeding apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施の形態による光無線給電装置の反射鏡アレイの製造方法の他の具体例を示す略線図である。It is a schematic diagram which shows another specific example of the manufacturing method of the reflector array of the optical wireless power feeding apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施の形態による光無線給電装置の動作を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the operation of the optical wireless power feeding apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施の形態による光無線給電装置の動作を説明するための平面図である。It is a top view for demonstrating the operation of the optical wireless power feeding apparatus by 1st Embodiment of this invention. この発明の第1の実施の形態による光無線給電装置において外部から入射する光が非対称面状光導波路内を導波される2次元空間伝搬光に変換される性能を検証するために行ったシミュレーションの結果を示す略線図である。In the optical wireless power feeding device according to the first embodiment of the present invention, a simulation performed to verify the performance of converting light incident from the outside into two-dimensional space-propagated light guided in an asymmetric specular optical waveguide. It is a schematic diagram which shows the result of. この発明の第1の実施の形態による光無線給電装置において外部から入射する光ビームが反射鏡アレイと非対称面状光導波路との結合系に入射する際の導波状態の場所依存性を検証するために行ったシミュレーションの結果を示す略線図である。In the optical wireless power feeding device according to the first embodiment of the present invention, the location dependence of the waveguide state when the light beam incident from the outside is incident on the coupling system of the reflector array and the asymmetric plane optical waveguide is verified. It is a schematic diagram which shows the result of the simulation performed for this purpose. この発明の第1の実施の形態による光無線給電装置において外部から入射するダイリューテッド光が反射鏡アレイと非対称面状光導波路との結合系に入射する際の導波状態の場所依存性を検証するために行ったシミュレーションの結果を示す略線図である。In the optical wireless power feeding device according to the first embodiment of the present invention, the location dependence of the waveguide state when the diluted light incident from the outside is incident on the coupling system of the reflector array and the asymmetric planar optical waveguide. It is a schematic diagram which shows the result of the simulation performed for verification. この発明の第1の実施の形態による光無線給電装置において外部から入射するビーム光およびダイリューテッド光が反射鏡アレイと非対称面状光導波路との結合系に入射する際に空間伝搬光から導波路内伝搬光へと転化する効率の光入射位置依存性を示す略線図である。In the optical wireless power feeding device according to the first embodiment of the present invention, when the beam light and the diluted light incident from the outside are incident on the coupling system of the reflector array and the asymmetric plane optical waveguide, they are derived from the space propagating light. It is a schematic diagram which shows the light incident position dependence of the efficiency of conversion into light propagating in a waveguide. 図3に示す反射鏡アレイを実際に作製して光学的性能を評価した結果を示す略線図である。It is a schematic diagram which shows the result of having actually manufactured the reflector array shown in FIG. 3 and evaluated the optical performance. 図4に示す反射鏡アレイを実際に作製した例を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the example which actually manufactured the reflector array shown in FIG. 図16に示す反射鏡アレイの光学的性能を評価した結果を示す略線図である。It is a schematic diagram which shows the result of having evaluated the optical performance of the reflector array shown in FIG. この発明の第1の実施の形態による光無線給電装置において反射鏡アレイの設計により反射鏡アレイを入射光ビームに対して見えなくする方法を示す略線図である。It is a schematic diagram which shows the method of making the reflector array invisible with respect to the incident light beam by designing the reflector array in the optical wireless power feeding apparatus by 1st Embodiment of this invention. 図18に示す反射鏡アレイに対して光ビームを入射させた時の非対称面状光導波路の光出射端面における光強度分布を示す図面代用写真である。It is a drawing substitute photograph which shows the light intensity distribution in the light emission end face of the asymmetric plane optical waveguide when a light beam is incident on the reflector array shown in FIG. 市販の一般的な太陽電池の電圧−電流特性を示す略線図である。It is a schematic diagram which shows the voltage-current characteristic of the general commercial solar cell. この発明の第1の実施の形態による光無線給電装置の非対称面状光導波路の光出射端面に発電部として市販の一般的な太陽電池を結合した場合の太陽電池の電圧−電流特性を示す略線図である。The abbreviation showing the voltage-current characteristics of a solar cell when a commercially available general solar cell is coupled as a power generation unit to the light emitting end surface of the asymmetric planar optical waveguide of the optical wireless power feeding device according to the first embodiment of the present invention. It is a diagram. この発明の第2の実施の形態による光無線給電装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the optical wireless power feeding apparatus by 2nd Embodiment of this invention. この発明の第2の実施の形態による光無線給電装置の非対称面状光導波路の一部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which enlarges and shows a part of the asymmetric plane optical waveguide of the optical wireless power feeding apparatus by 2nd Embodiment of this invention. この発明の第3の実施の形態による光無線給電ドローンを示す略線図である。It is a schematic diagram which shows the optical wireless power supply drone by the 3rd Embodiment of this invention.

以下、発明を実施するための形態(以下、「実施の形態」という)について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態においては、同一または対応する部分には同一の符号を付す。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention (hereinafter, referred to as “embodiments”) will be described with reference to the drawings. In the following embodiments, the same or corresponding parts are designated by the same reference numerals.

〈第1の実施の形態〉
[光無線給電装置]
図1は第1の実施の形態による光無線給電装置を示す。図1に示すように、この光無線給電装置は、一方の主面が光入射面を構成し、他方の主面が光出射面を構成する平板状の反射鏡アレイ10と、反射鏡アレイ10の他方の主面上に設けられた楔状の形状を有する非対称面状光導波路20と、この非対称面状光導波路20の光出射側の端部に設けられた光電変換素子からなる発電部30とを有する。反射鏡アレイ10および非対称面状光導波路20の平面形状は特に限定されず、光無線給電装置などに応じて適宜選ばれるが、例えば、長方形または正方形である。図2に、一例として反射鏡アレイ10および非対称面状光導波路20の平面形状が長方形である場合を示す。
<First Embodiment>
[Optical wireless power supply device]
FIG. 1 shows an optical wireless power feeding device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, in this optical wireless power feeding device, a flat plate-shaped reflector array 10 and a reflector array 10 in which one main surface constitutes a light incident surface and the other main surface constitutes a light emitting surface. An asymmetric surface-shaped optical waveguide 20 having a wedge-shaped shape provided on the other main surface of the above, and a power generation unit 30 composed of a photoelectric conversion element provided at an end portion of the asymmetric surface-shaped optical waveguide 20 on the light emitting side. Has. The planar shape of the reflector array 10 and the asymmetrical optical waveguide 20 is not particularly limited and is appropriately selected depending on the optical wireless power feeding device and the like, and is, for example, a rectangle or a square. FIG. 2 shows a case where the planar shape of the reflector array 10 and the asymmetric planar optical waveguide 20 is rectangular as an example.

反射鏡アレイ10は、反射鏡11と透明層12とが、反射鏡アレイ10に平行な一方向に周期的に交互に繰り返し設けられた構造を有する。反射鏡11および透明層12は、例えば、既に挙げた材料により構成される。反射鏡アレイ10に平行な一方向の透明層12の厚さは必要に応じて選ばれるが、例えば数μm〜数十μmである。また、反射鏡11と透明層12との繰り返しの周期、即ち、一つの反射鏡11とこれに隣接する透明層12との、反射鏡アレイ10に平行な一方向の合計の厚さに対する反射鏡11の厚さの比は、小さい方が望ましく、少なくとも5%以下、好適には1%以下で1nm以上に選ばれる。反射鏡11は、入射光の抜け(入射光が反射鏡11で反射せず、非対称面状光導波路20を直射すること)がないように、また、図1中、互いに隣接する二つの反射鏡11に着目した場合、向かって右側の反射鏡11で反射した光が左隣の反射鏡11の裏面で反射(散乱)されないように構造および配列の設定をする。反射鏡11の間隔および反射鏡11と透明層12との繰り返し数は、光無線給電装置の用途などに応じて適宜選ばれる。反射鏡11は、光無線給電装置の外部から入射する光ビームを反射して非対称面状光導波路20の光入射面に入射させることができるように構成されている。好適には、反射鏡11は、光無線給電装置に一定方向から入射する光ビームを反射して非対称面状光導波路20に一定範囲内の入射角で入射させることができるように断面形状が選ばれる。図1においては、典型的な一例として、反射鏡アレイ10の、非対称面状光導波路20の主面に垂直な断面における反射鏡11の形状が、放物線の軸の片側の一部をなす場合が示されている。反射鏡アレイ10に対してほぼ垂直方向から3次元空間伝播光が入射する場合には、最終的に非対称面状光導波路20にできるだけ多くの光が入射するようにするために、この放物線の軸は、非対称面状光導波路20の主面に立てた法線に対して好適には±10°以内に設定され、最も好適には0°付近、つまり、非対称面状光導波路20の主面に垂直に設定される。放物線の軸に平行に入射する光は放物線の焦点に集まる性質があるため、放物線の軸を非対称面状光導波路20の主面に垂直に設定することで、反射鏡アレイ10に対してほぼ垂直に3次元空間伝播光が入射する場合、反射鏡11で反射される光の方向はほぼ同じになる。光無線給電装置に入射する入射光をできるだけ多く非対称面状光導波路20に入射させるようにするために、好適には、反射鏡11は、非対称面状光導波路20の端から端まで延在して設けられるが、これに限定されるものではない。各反射鏡11の平面形状は特に限定されず、必要に応じて選ばれるが、典型的には、反射鏡11で反射され、非対称面状光導波路20の内部に入射して導波される2次元空間伝播光の少なくとも大部分が一定方向に向かうように選ばれる。反射鏡アレイ10の具体例を図3および図4に示す。図3および図4に示すように、非対称面状光導波路20と反射鏡11との幾何学的交点(の集合)が、幾何学的対称性を有していることに留意されたい。図3は反射鏡アレイ10および非対称面状光導波路20が長方形の平面形状を有する場合に、各反射鏡11が反射鏡アレイ10の短辺の方向に直線状に延びた形状を有する場合であり、並進対称性を有する。この場合には、各反射鏡11で反射された光は、非対称面状光導波路20の内部を各反射鏡11に垂直な方向に導波される。図4は、反射鏡アレイ10および非対称面状光導波路20が長方形の平面形状を有する場合に、各反射鏡11が反射鏡アレイ10の一つの短辺の中点を中心とする同心円弧状に湾曲した形状を有し、部分的回転対称性および方位対称性を有する。この場合には、各反射鏡11で反射された光は、非対称面状光導波路20の内部を反射鏡アレイ10の一つの短辺の中点に向かって導波される。 The reflector array 10 has a structure in which the reflector 11 and the transparent layer 12 are periodically and alternately provided in one direction parallel to the reflector array 10. The reflector 11 and the transparent layer 12 are made of, for example, the materials already mentioned. The thickness of the transparent layer 12 in one direction parallel to the reflector array 10 is selected as needed, and is, for example, several μm to several tens of μm. Also, the period of repetition of the reflector 11 and the transparent layer 12, that is, the reflector for the total thickness of one reflector 11 and the transparent layer 12 adjacent thereto in one direction parallel to the reflector array 10. The thickness ratio of 11 is preferably small, and is selected to be at least 5% or less, preferably 1% or less and 1 nm or more. The reflector 11 is provided so that the incident light does not escape (the incident light is not reflected by the reflector 11 and directly shines on the asymmetric planar optical waveguide 20), and the two reflectors adjacent to each other in FIG. 1 When focusing on 11, the structure and arrangement are set so that the light reflected by the reflector 11 on the right side is not reflected (scattered) by the back surface of the reflector 11 on the left side. The distance between the reflecting mirrors 11 and the number of repetitions between the reflecting mirror 11 and the transparent layer 12 are appropriately selected depending on the application of the optical wireless power feeding device and the like. The reflector 11 is configured to reflect a light beam incident from the outside of the optical radio feeding device so that it can be incident on the light incident surface of the asymmetric planar optical waveguide 20. Preferably, the cross-sectional shape of the reflector 11 is selected so that the light beam incident on the optical wireless power feeding device from a certain direction can be reflected and incident on the asymmetric plane optical waveguide 20 at an incident angle within a certain range. Is done. In FIG. 1, as a typical example, the shape of the reflector 11 in the cross section of the reflector array 10 perpendicular to the main surface of the asymmetric planar optical waveguide 20 may form a part of one side of the axis of the parabola. It is shown. When three-dimensional space propagating light is incident on the reflector array 10 from a substantially vertical direction, the axis of this parabola is ensured that as much light as possible is finally incident on the asymmetric planar optical waveguide 20. Is preferably set within ± 10 ° with respect to the normal line erected on the main surface of the asymmetric planar optical waveguide 20, and most preferably near 0 °, that is, on the main surface of the asymmetrical planar optical waveguide 20. Set vertically. Since the light incident parallel to the axis of the parabola has the property of concentrating at the focal point of the parabola, by setting the axis of the parabola perpendicular to the main surface of the asymmetric planar optical waveguide 20, it is substantially perpendicular to the reflector array 10. When three-dimensional space propagating light is incident on the light, the directions of the light reflected by the reflector 11 are substantially the same. In order to allow as much incident light incident on the optical wireless power feeding device to enter the asymmetrical optical waveguide 20, preferably, the reflector 11 extends from end to end of the asymmetrical optical waveguide 20. However, it is not limited to this. The planar shape of each reflector 11 is not particularly limited and is selected as necessary, but is typically reflected by the reflector 11 and incident inside the asymmetric planar optical waveguide 20 to be guided. At least most of the dimensional space propagating light is chosen to go in one direction. Specific examples of the reflector array 10 are shown in FIGS. 3 and 4. It should be noted that, as shown in FIGS. 3 and 4, the geometric intersections (sets) of the asymmetric planar optical waveguide 20 and the reflector 11 have geometric symmetry. FIG. 3 shows a case where the reflector array 10 and the asymmetric plane optical waveguide 20 have a rectangular planar shape, and each reflector 11 has a shape extending linearly in the direction of the short side of the reflector array 10. , Has translational symmetry. In this case, the light reflected by each reflector 11 is guided inside the asymmetric planar optical waveguide 20 in a direction perpendicular to each reflector 11. FIG. 4 shows that when the reflector array 10 and the asymmetric planar optical waveguide 20 have a rectangular planar shape, each reflector 11 is curved in a concentric arc shape centered on the midpoint of one short side of the reflector array 10. It has a rectangular shape and has partial rotational symmetry and directional symmetry. In this case, the light reflected by each reflector 11 is guided inside the asymmetric planar optical waveguide 20 toward the midpoint of one short side of the reflector array 10.

楔状の非対称面状光導波路20は細長い直角三角形の断面形状を有し、直角の角を挟む長い方の辺(底辺)が反射鏡アレイ10の光出射面と一致し、短い方の辺が非対称面状光導波路20の光出射面と一致する。 The wedge-shaped asymmetric planar optical waveguide 20 has an elongated right-angled triangular cross-sectional shape, the long side (bottom) sandwiching the right-angled corner coincides with the light emitting surface of the reflector array 10, and the short side is asymmetric. It coincides with the light emitting surface of the planar optical waveguide 20.

非対称面状光導波路20を構成する物質は、この光無線給電装置が対象とする範囲の波長の光に対しできるだけ透明な物質であることが望ましい。非対称面状光導波路20を構成する物質は、一般には透明ガラス、高屈折率ガラス、透明プラスチックなどである。透明プラスチックとしては、例えば、ポリエチレンテレフタラート、ポリエチレンナフタラート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフッ化ビニリデン、アセチルセルロース、ブロム化フェノキシ、アラミド類、ポリイミド類、ポリスチレン類、ポリアリレート類、ポリスルホン類、ポリオレフィン類などが挙げられる。非対称面状光導波路20を構成する物質としては、特に、プラスティックオプティカルファイバー(POF)などに用いられるフッ素系の素材が、その低光損失性により好適である。非対称面状光導波路20の厚さは必要に応じて選ばれるが、例えば1〜1000μmである。非対称面状光導波路20の大きさ(縦横の長さ)は、この光無線給電装置を設置する箇所に応じて適宜選ばれるが、一般的には、例えば(1cm〜1m)×(1cm〜1m)である。 It is desirable that the substance constituting the asymmetric planar optical waveguide 20 is a substance that is as transparent as possible with respect to light having a wavelength in the range targeted by this optical wireless power feeding device. The substance constituting the asymmetric planar optical waveguide 20 is generally transparent glass, high refractive index glass, transparent plastic, or the like. Examples of transparent plastics include polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, polycarbonate, polystyrene, polyethylene, polypropylene, polyphenylene sulfide, polyvinylidene fluoride, acetylcellulose, brominated phenoxy, aramids, polyimides, polystyrenes, polyarylates, etc. Examples thereof include polysulfones and polyolefins. As the substance constituting the asymmetric planar optical waveguide 20, a fluorine-based material used for plastic optical fiber (POF) or the like is particularly suitable due to its low light loss property. The thickness of the asymmetric planar optical waveguide 20 is selected as needed, and is, for example, 1 to 1000 μm. The size (length and width) of the asymmetric plane optical waveguide 20 is appropriately selected depending on the location where the optical wireless power feeding device is installed, but is generally, for example, (1 cm to 1 m) × (1 cm to 1 m). ).

発電部30の詳細を図5Aに示す。図5Aに示すように、発電部30においては、非対称面状光導波路20の光出射側の端面に接触して光電変換用の半導体層40が設けられている。半導体層40はpn接合を有し、そのpn接合面が非対称面状光導波路20の反射鏡アレイ10側の主面に平行になっている。また図5Bに示すように、電極501を挟んで複数直列接続した半導体層40(例えば、MH GoPowerの素子“5S1010.4”) を用いても良く、こうすることで高出力電圧動作が可能となる。半導体層40は、非対称面状光導波路20の光出射端面の全部または一部を覆うように設けられるが、非対称面状光導波路20の光出射端面の全体から光が出射される場合は好適にはその光出射端面の全面、少なくともほぼ全体を覆うように設けられ、光出射端面の一部から光が出射される場合には少なくともその部分を覆うように設けられる。非対称面状光導波路20と半導体層40とは互いに一体に設けられており、全体として面状の形状を有する。 Details of the power generation unit 30 are shown in FIG. 5A. As shown in FIG. 5A, in the power generation unit 30, a semiconductor layer 40 for photoelectric conversion is provided in contact with the end surface of the asymmetric planar optical waveguide 20 on the light emitting side. The semiconductor layer 40 has a pn junction, and the pn junction surface is parallel to the main surface of the asymmetric planar optical waveguide 20 on the reflector array 10 side. Further, as shown in FIG. 5B, a plurality of semiconductor layers 40 (for example, MH GoPower element “5S1010.4”) connected in series with the electrode 501 sandwiched between them may be used, and by doing so, high output voltage operation is possible. Become. The semiconductor layer 40 is provided so as to cover all or a part of the light emitting end face of the asymmetric planar optical waveguide 20, but is preferably suitable when light is emitted from the entire light emitting end face of the asymmetric planar optical waveguide 20. Is provided so as to cover the entire surface of the light emitting end face, at least almost the entire surface, and when light is emitted from a part of the light emitting end face, it is provided so as to cover at least that part. The asymmetric planar optical waveguide 20 and the semiconductor layer 40 are provided integrally with each other, and have a planar shape as a whole.

半導体層40の上下(光入射側を上とする)の互いに対向する一対の面(上面および下面)にそれぞれ第1の電極50および第2の電極60が設けられている。これらの第1の電極50および第2の電極60の一方はアノード電極、他方はカソード電極として用いられる。例えば、第1の電極50がアノード電極、第2の電極60がカソード電極として用いられる。第1の電極50および第2の電極60は、半導体層40が互いに異なる半導体からなる複数の領域に分割されている場合には各領域毎に設けられてもよいし、一方が全ての領域上に延在する全面電極であってもよい。半導体層40と第1の電極50および第2の電極60とにより光電変換素子が構成されている。 The first electrode 50 and the second electrode 60 are provided on a pair of surfaces (upper surface and lower surface) facing each other on the upper and lower sides (the light incident side is the upper side) of the semiconductor layer 40, respectively. One of these first electrode 50 and the second electrode 60 is used as an anode electrode, and the other is used as a cathode electrode. For example, the first electrode 50 is used as an anode electrode, and the second electrode 60 is used as a cathode electrode. When the semiconductor layer 40 is divided into a plurality of regions made of different semiconductors, the first electrode 50 and the second electrode 60 may be provided for each region, or one of them may be provided on all the regions. It may be a full-face electrode extending to. A photoelectric conversion element is composed of a semiconductor layer 40, a first electrode 50, and a second electrode 60.

この光無線給電装置においては、反射鏡アレイ10に入射した光ビーム(3次元空間伝播光)は、非対称面状光導波路20の内部に入って2次元空間伝播光に変換され、導波された後、非対称面状光導波路20の端面から出射されて発電部30の半導体層40に入射するように構成されている。この場合、非対称状光導波路20の内部を導波される光の正味の進行方向と、非対称面状光導波路20の端面から半導体層40に入射した光によりこの半導体層40中に生成されるキャリア(フォトキャリア)の正味の移動方向(第1の電極50と第2の電極60とを最短で結ぶ方向)とのなす角度Θはほぼ直角である。角度Θは、具体的には、第1の電極50の光の進行方向の幅あるいは半導体層40が互いに異なる半導体からなる複数の領域に分割されており第1の電極50が各領域毎に設けられる場合には各領域毎に設けられる第1の電極50の光の進行方向の幅をW´、半導体層40の厚さをdとすると、π/2−δ≦Θ≦π/2+δ(ただし、δ〜d/W´)であり、典型的には80°≦Θ≦100°であり、最も好適には90°である。非対称面状光導波路20の光出射端面に面する半導体層40の表面の反射率は、非対称面状光導波路20の光出射端面から出射された光が半導体層40の表面で反射されることによる時間反転相当波の発生を抑制するために、好適には数%以下、例えば1%〜2%とほぼ0にする。このために、例えば、非対称面状光導波路20と半導体層40との接合面に反射防止膜が設けられる。 In this optical wireless power feeding device, the light beam (three-dimensional space-propagated light) incident on the reflector array 10 enters the inside of the asymmetric planar optical waveguide 20 and is converted into two-dimensional space-propagated light and guided. After that, it is configured to be emitted from the end surface of the asymmetric planar optical waveguide 20 and incident on the semiconductor layer 40 of the power generation unit 30. In this case, the carrier generated in the semiconductor layer 40 by the net traveling direction of the light guided inside the asymmetric optical waveguide 20 and the light incident on the semiconductor layer 40 from the end face of the asymmetric planar optical waveguide 20. The angle Θ formed by the net moving direction of the (photocarrier) (the direction connecting the first electrode 50 and the second electrode 60 at the shortest distance) is substantially perpendicular. Specifically, the angle Θ is divided into a plurality of regions in which the width of the light traveling direction of the first electrode 50 or the semiconductor layer 40 is made of semiconductors different from each other, and the first electrode 50 is provided for each region. If this is the case, assuming that the width of the first electrode 50 provided for each region in the traveling direction of light is W'and the thickness of the semiconductor layer 40 is d, π / 2-δ ≤ Θ ≤ π / 2 + δ (however, , Δ to d / W ′), typically 80 ° ≦ Θ ≦ 100 °, and most preferably 90 °. The reflectance of the surface of the semiconductor layer 40 facing the light emitting end face of the asymmetric plane optical waveguide 20 is due to the light emitted from the light emitting end face of the asymmetric plane optical waveguide 20 being reflected by the surface of the semiconductor layer 40. In order to suppress the generation of the time reversal equivalent wave, it is preferably set to several% or less, for example, 1% to 2%, which is almost 0. For this purpose, for example, an antireflection film is provided on the joint surface between the asymmetric planar optical waveguide 20 and the semiconductor layer 40.

この光無線給電装置においては、好適には、外部から光が入射する際に半導体層40に光が直接入射しないように構成される。言い換えると、光無線給電装置に光が入射する場合、反射鏡アレイ10には光が入射するが、半導体層40の面には光が直接入射しないようにする。このためには、具体的には、例えば次のようにする。例えば、第1の電極50を覆うように半導体層40の上方に遮光層(図示せず)を設ける。遮光層は従来公知のものを用いることができ、必要に応じて選ばれるが、例えば、アルミ箔の両面にプラスチックフィルムが形成されたアルミラミネートフィルムなどである。この遮光層により、半導体層40に光が直接入射しないようにすることができる。 In this optical wireless power feeding device, preferably, when light is incident from the outside, the light is not directly incident on the semiconductor layer 40. In other words, when light is incident on the optical wireless power feeding device, the light is incident on the reflector array 10, but the light is not directly incident on the surface of the semiconductor layer 40. For this purpose, for example, the following is performed. For example, a light-shielding layer (not shown) is provided above the semiconductor layer 40 so as to cover the first electrode 50. A conventionally known light-shielding layer can be used and is selected as needed. For example, an aluminum laminate film in which plastic films are formed on both sides of an aluminum foil is used. With this light-shielding layer, it is possible to prevent light from directly incident on the semiconductor layer 40.

半導体層40は、例えば、既に挙げたものの中から必要に応じて選ばれる。半導体層40は、典型的には、p型半導体層とn型半導体層とからなるpn接合である。好適には、半導体層40のうちの第1の電極50および第2の電極60が接触する部分が高不純物濃度にドープされ、これらの第1の電極50および第2の電極60が半導体層40とオーミック接触するようにする。半導体層40の一辺の長さは、典型的には、この半導体層40が設けられる非対称面状光導波路20の辺の長さと同一に選ばれるが、この辺と直角な辺の長さは、典型的には0.5μm〜5mmであり、好適には2μm〜1mmである。非対称面状光導波路20の大きさは上述のように例えば(1cm〜1m)×(1cm〜1m)であるので、この半導体層40の面積は一般的には非対称面状光導波路20の面積よりはるかに小さくて済む。即ち、この光無線給電装置は、非対称面状光導波路20が大部分を占め、半導体層40は端のわずかな部分しか占めない。例えば、非対称面状光導波路20の大きさが10cm×10cm、半導体層40の大きさが1mm×10cmとすると、非対称面状光導波路20と半導体層40との全体の面積に占める半導体層40の面積の割合は、0.1×10/10.1×10=0.0099≒1%に過ぎない。これに加えて、半導体層40の厚さは、一般的には数十μm以下と小さいので、半導体層40の体積も極めて小さい。即ち、半導体層40の使用量が極めて少なくて済む。このため、光無線給電装置の製造コストの低減を図ることができる。 The semiconductor layer 40 is, for example, selected from those already mentioned as needed. The semiconductor layer 40 is typically a pn junction composed of a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. Preferably, the portion of the semiconductor layer 40 in which the first electrode 50 and the second electrode 60 come into contact is doped with a high impurity concentration, and these first electrode 50 and the second electrode 60 are the semiconductor layer 40. Make ohmic contact with. The length of one side of the semiconductor layer 40 is typically selected to be the same as the length of the side of the asymmetrical optical waveguide 20 on which the semiconductor layer 40 is provided, but the length of the side perpendicular to this side is typical. It is 0.5 μm to 5 mm, preferably 2 μm to 1 mm. Since the size of the asymmetric planar optical waveguide 20 is, for example, (1 cm to 1 m) × (1 cm to 1 m) as described above, the area of the semiconductor layer 40 is generally larger than the area of the asymmetric planar optical waveguide 20. It can be much smaller. That is, in this optical wireless power feeding device, the asymmetric planar optical waveguide 20 occupies most of the device, and the semiconductor layer 40 occupies only a small part of the end. For example, assuming that the size of the asymmetric planar optical waveguide 20 is 10 cm × 10 cm and the size of the semiconductor layer 40 is 1 mm × 10 cm, the semiconductor layer 40 occupies the total area of the asymmetric planar optical waveguide 20 and the semiconductor layer 40. The ratio of the area is only 0.1 × 10 / 10.1 × 10 = 0.0099≈1%. In addition to this, since the thickness of the semiconductor layer 40 is generally as small as several tens of μm or less, the volume of the semiconductor layer 40 is also extremely small. That is, the amount of the semiconductor layer 40 used can be extremely small. Therefore, the manufacturing cost of the optical wireless power feeding device can be reduced.

半導体層40のバンドギャップあるいはHOMO−LUMOギャップEg は、半導体層40内の光の進行方向にN段階(N≧2)に段階的に減少しており、順にEg1、Eg2、…、EgN(Eg1>Eg2>…>EgN)となっている。図6に一例としてN=4の場合を示すが、これに限定されるものではない。図6に示すように、半導体層40は、バンドギャップあるいはHOMO−LUMOギャップEg がそれぞれEg1、Eg2、Eg3、Eg4の領域41、42、43、44からなる。各領域41、42、43、44は、非対称面状光導波路20の半導体層40が設けられた辺に平行な方向に延在する細長いストライプ状の形状を有する。図6においては、各領域41、42、43、44上に互いに分離してそれぞれ第1の電極51、52、53、54が設けられている。第2の電極60は全面電極であり、各領域41、42、44、44の共通電極である。半導体層40を構成する各Egi領域の幅(光の進行方向の幅で、図6の横方向の長さ)は、各Egi領域の光電変換対象光子(各Egi領域のバンドギャップEgi以上のエネルギーを有する光子)のうち、最低エネルギーのものに対するこのEgi領域の吸収係数をαi とすると、1/αi 以上とする。 The band gap or HOMO-LUMO gap E g of the semiconductor layer 40 gradually decreases in N steps (N ≧ 2) in the traveling direction of light in the semiconductor layer 40, and E g1 , E g2 , ..., It is E gN (E g1 > E g2 >...> E gN ). FIG. 6 shows the case of N = 4 as an example, but the present invention is not limited to this. As shown in FIG. 6, the semiconductor layer 40 includes regions 41, 42, 43, and 44 having band gaps or HOMO-LUMO gaps E g of E g1 , E g2 , E g3 , and E g4, respectively. Each region 41, 42, 43, 44 has an elongated striped shape extending in a direction parallel to the side provided with the semiconductor layer 40 of the asymmetric planar optical waveguide 20. In FIG. 6, the first electrodes 51, 52, 53, and 54 are provided on the regions 41, 42, 43, and 44 separately from each other. The second electrode 60 is a full surface electrode and is a common electrode of each region 41, 42, 44, 44. (The width in the traveling direction of light, the length of the lateral direction in FIG. 6) the width of each E gi region constituting the semiconductor layer 40, the photoelectric conversion target photons (bandgap E of the E gi region of the E gi region If the absorption coefficient of this E gi region for the photon with the lowest energy among photons with energy of gi or more is α i , it is 1 / α i or more.

giは次のように設定することができる。例えば、AM1.5太陽光スペクトルの全波長範囲またはその主要な波長範囲(入射エネルギーが高い部分を含む範囲)において、波長をN個の区間に分ける。そして、これらの区間に短波長側(高エネルギー側)から順に1、2、…、Nというように番号を付け、i番目の区間の最小光子エネルギーに等しくEgiを選ぶ。こうすることで、k番目の区間の光子エネルギーを有する光子がEgi領域に入射すると電子−正孔対が発生し、光電変換が行われる。また、この場合、このk番目の区間の光子エネルギーを有する光子が各Egi領域に到達して十分に吸収されるように、非対称面状光導波路20と半導体層40との接合面からこのEgi領域までの距離を選ぶ。これによって、非対称面状光導波路20の内部を導波されて半導体層40に入射する太陽光は、まずEg1領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがEg1以上のものが吸収されて光電変換され、続いてEg2領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがEg2以上でEg1より小さいものが吸収されて光電変換され、最終的にEgN領域に入射してそのスペクトルのうち光子エネルギーがEgN以上でEgN-1より小さいものが吸収されて光電変換される。この結果、光無線給電装置に入射する光ビームの波長がある波長帯に分布していても、そのほぼ全範囲あるいは主要な波長範囲の光を光電変換に使用することができる。 E gi can be set as follows. For example, the wavelength is divided into N sections in the entire wavelength range of the AM1.5 sunlight spectrum or its main wavelength range (the range including the portion having high incident energy). Then, these sections are numbered in order from the short wavelength side (high energy side) such as 1, 2, ..., N, and E gi is selected equal to the minimum photon energy of the i-th section. By doing so, when a photon having photon energy in the kth section is incident on the Egi region, an electron-hole pair is generated and photoelectric conversion is performed. Further, in this case, the E is formed from the junction surface between the asymmetrical optical waveguide 20 and the semiconductor layer 40 so that the photon having the photon energy in the kth section reaches each Egi region and is sufficiently absorbed. Select the distance to the gi area. As a result, the sunlight that is waveguideed inside the asymmetric planar optical waveguide 20 and enters the semiconductor layer 40 first enters the E g1 region, and the spectrum whose photon energy is E g1 or higher is absorbed. It is photoelectrically converted, then incident on the E g2 region, and the spectrum whose photon energy is E g2 or more and smaller than E g1 is absorbed and photoelectrically converted, and finally incident on the E gN region and the spectrum of the spectrum. Of these, those with photon energies of E gN or more and less than E gN-1 are absorbed and photoelectrically converted. As a result, even if the wavelength of the light beam incident on the optical wireless power feeding device is distributed in a certain wavelength band, the light in almost the entire range or the main wavelength range can be used for photoelectric conversion.

各Egi領域の厚さdは必要に応じて選ばれるが、例えば数μm〜数十μmである。各Egi領域の幅(半導体層40内の光の進行方向の幅)も必要に応じて選ばれるが、例えば数十μm〜数百μmである。具体例を挙げると、図6の各領域41〜44の厚さdを数μm〜数十μm、各領域41〜44の幅w1 〜w4 を数十μm〜数百μm、例えば〜100μmに選ぶ。 The thickness d of each E gi region is selected as needed, and is, for example, several μm to several tens of μm. The width of each Egi region (width in the traveling direction of light in the semiconductor layer 40) is also selected as necessary, and is, for example, several tens of μm to several hundreds of μm. To give a specific example, the thickness d of each region 41 to 44 in FIG. 6 is several μm to several tens of μm, and the width w 1 to w 4 of each region 41 to 44 is several tens μm to several hundred μm, for example, to 100 μm. Choose to.

典型的な場合、各領域41〜44はp型半導体層とn型半導体層とからなるpn接合により構成される。 In a typical case, each region 41 to 44 is composed of a pn junction composed of a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer.

[光無線給電装置の製造方法]
この光無線給電装置は従来公知の技術を用いて容易に製造することができる。即ち、例えば、非対称面状光導波路20を用意し、その光出射端面に発電部30を形成する。次に、この非対称面状光導波路20の底面に反射鏡アレイ10を形成する。例えば、反射鏡アレイ10を非対称面状光導波路20の底面に貼り付ける。こうして、図1に示す光無線給電装置が製造される。
[Manufacturing method of optical wireless power supply device]
This optical wireless power feeding device can be easily manufactured by using a conventionally known technique. That is, for example, an asymmetric planar optical waveguide 20 is prepared, and a power generation unit 30 is formed on the light emitting end surface thereof. Next, the reflector array 10 is formed on the bottom surface of the asymmetric planar optical waveguide 20. For example, the reflector array 10 is attached to the bottom surface of the asymmetric surface optical waveguide 20. In this way, the optical wireless power feeding device shown in FIG. 1 is manufactured.

[反射鏡アレイ10の製造方法]
反射鏡アレイ10は、例えば、次のような方法により容易に製造することができる。即ち、まず、図3に示すように、反射鏡11が直線状に真っ直ぐに延在している反射鏡アレイ10を製造する場合について説明する。図7AおよびBは真空蒸着装置の真空チェンバー150の正面図および側面図、図7Cは図7Bの破線で囲んだ部分の拡大図である。図7AおよびBに示すように、角が丸まった正方形の断面形状を有する偏平なローラ151に、例えば幅が狭くて薄い平坦なテープ状の透明樹脂製のベースフィルム152を巻き付けておき、このベースフィルム152の一方の面に蒸着源153の金属154を蒸発させて薄く金属膜155を形成した後、この金属膜155付きベースフィルム152を巻き取りローラ156で巻き取っていく。図7BおよびCに示すように、巻き取りローラ156の巻き取り面は、反射鏡アレイ10の反射鏡11と同じ断面形状、例えば放物線の形状を有する。ローラ151の外周面の断面形状も巻き取りローラ156の巻き取り面の断面形状と同様にしてもよい。
[Manufacturing method of reflector array 10]
The reflector array 10 can be easily manufactured by, for example, the following method. That is, first, as shown in FIG. 3, a case where the reflector array 10 in which the reflector 11 extends straight in a straight line is manufactured will be described. 7A and 7B are front views and side views of the vacuum chamber 150 of the vacuum vapor deposition apparatus, and FIG. 7C is an enlarged view of a portion surrounded by a broken line in FIG. 7B. As shown in FIGS. 7A and 7B, a flat tape-shaped transparent resin base film 152 having a narrow and thin width is wound around a flat roller 151 having a square cross-sectional shape with rounded corners. After the metal 154 of the vapor deposition source 153 is evaporated on one surface of the film 152 to form a thin metal film 155, the base film 152 with the metal film 155 is wound up by a take-up roller 156. As shown in FIGS. 7B and 7C, the take-up surface of the take-up roller 156 has the same cross-sectional shape as the reflector 11 of the reflector array 10, for example, a parabolic shape. The cross-sectional shape of the outer peripheral surface of the roller 151 may be the same as the cross-sectional shape of the take-up surface of the take-up roller 156.

上述のようにして金属膜155付きベースフィルム152が巻き取りローラ156で巻き取られることにより、ベースフィルム152と金属膜155とが交互に積層された渦巻き構造が形成される。図7Cは図7Bの一部を拡大した図である。この渦巻き構造から図7Aの破線で示すように切り出すことにより、反射鏡アレイ10を製造することができる。ここで、金属膜155が反射鏡11に対応し、ベースフィルム152が透明層12に対応する。 As described above, the base film 152 with the metal film 155 is wound by the take-up roller 156 to form a spiral structure in which the base film 152 and the metal film 155 are alternately laminated. FIG. 7C is an enlarged view of a part of FIG. 7B. The reflector array 10 can be manufactured by cutting out from this spiral structure as shown by the broken line in FIG. 7A. Here, the metal film 155 corresponds to the reflector 11, and the base film 152 corresponds to the transparent layer 12.

上記と同様な反射鏡アレイ10は、3Dプリンティング或いはインプリンティングの手法を用いて製造することもできる。即ち、まず、ベースフィルム152と同一の性質を有する平坦膜を用意し、この平坦膜に対し、反射鏡アレイ10の断面における反射鏡11の形状と同様な形状の曲面部とこれに連なる垂直な直線部とを有する鋸歯状断面の金型を押し付けた後、その金型を平坦膜から引き離す。金型の押し付け深さは平坦膜の厚さより小さくし、金型を押し付けたときに平坦膜を突き抜けないようにする。次に、例えば真空蒸着法により平坦膜に対して垂直な方向から型押しされた面上に例えばAgなどの金属を蒸着する。型押しされた面のうち平坦膜に対して垂直な部分には金属は蒸着されず、曲面部にのみ金属が蒸着されて金属膜が形成される。この後、平坦膜の両面を研磨して両面に金属膜が露出するようにする。この金属膜が反射鏡11に対応し、平坦膜が透明層12に対応する。 A reflector array 10 similar to the above can also be manufactured using a 3D printing or imprinting technique. That is, first, a flat film having the same properties as the base film 152 is prepared, and with respect to this flat film, a curved surface portion having a shape similar to the shape of the reflector 11 in the cross section of the reflector array 10 and a curved portion connected to the curved surface portion are perpendicular to the flat film. After pressing a mold having a sawtooth cross section having a straight portion, the mold is pulled away from the flat film. The pressing depth of the mold should be smaller than the thickness of the flat film so that it does not penetrate the flat film when the mold is pressed. Next, for example, a metal such as Ag is deposited on a surface embossed from a direction perpendicular to the flat film by a vacuum vapor deposition method. Metal is not deposited on the embossed surface perpendicular to the flat film, and metal is deposited only on the curved surface to form the metal film. After that, both sides of the flat film are polished so that the metal film is exposed on both sides. This metal film corresponds to the reflector 11, and the flat film corresponds to the transparent layer 12.

次に、図4に示すように、反射鏡11が同心円弧状に延在している反射鏡アレイ10を製造する場合について説明する。図8AおよびBは真空蒸着装置の真空チェンバー150の正面図および側面図である。図8AおよびBに示すように、円柱状のローラ151に、例えば幅が狭くて薄い平坦なテープ状の透明樹脂製のベースフィルム152を巻き付けておき、このベースフィルム152の一方の面に蒸着源153の金属154を蒸発させて薄く金属膜155を形成した後、この金属膜155付きベースフィルム152を巻き取りローラ156で巻き取っていく。上述のようにして金属膜155付きベースフィルム152が巻き取りローラ156で巻き取られることにより、ベースフィルム152と金属膜155とが交互に積層されたスパイラル構造が形成される。図8Cは図8Bの破線で示す部分を拡大した図である。この渦巻き構造から図8Aの破線で示すように切り出すことにより、反射鏡アレイ10を製造することができる。 Next, as shown in FIG. 4, a case where the reflector array 10 in which the reflector 11 extends in a concentric arc shape is manufactured will be described. 8A and 8B are a front view and a side view of the vacuum chamber 150 of the vacuum vapor deposition apparatus. As shown in FIGS. 8A and 8B, for example, a narrow and thin flat tape-shaped transparent resin base film 152 is wound around a columnar roller 151, and an evaporation source is wound on one surface of the base film 152. After the metal 154 of 153 is evaporated to form a thin metal film 155, the base film 152 with the metal film 155 is wound up by a winding roller 156. As described above, the base film 152 with the metal film 155 is wound by the take-up roller 156 to form a spiral structure in which the base film 152 and the metal film 155 are alternately laminated. FIG. 8C is an enlarged view of the portion shown by the broken line in FIG. 8B. The reflector array 10 can be manufactured by cutting out from this spiral structure as shown by the broken line in FIG. 8A.

[光無線給電装置の動作]
光無線給電装置の動作について説明する。図9および図10に示すように、外部から光無線給電装置の反射鏡アレイ10の光入射面のどこかにほぼ垂直方向からレーザービームなどの光ビーム200が入射する場合を考える。入射した光ビーム200は反射鏡アレイ10の各反射鏡11で反射された後、非対称面状光導波路20の内部に入る。非対称面状光導波路20の内部に入った光は、非対称面状光導波路20の底面と非対称面状光導波路20と空気層との界面で全反射を繰り返し、非対称面状光導波路20がテーパー形状であり断面積が発電部30に向かって徐々に増加しているため、非対称面状光導波路20の内部を矢印方向に導波され、非対称面状光導波路20の光出射端面から出射され、最終的に発電部30の半導体層40の端面に入射して発電(光電変換)が行われる。導波光が半導体層40内を進む過程で半導体層40中に電子−正孔対が生成される。そして、こうして生成された電子および正孔は半導体層40内をドリフトまたは拡散により移動し、第1の電極50および第2の電極60のうちの一方および他方に収集される。こうして半導体層40内で光電変換が行われ、第1の電極50と第2の電極60とから外部に電流(光電流)が取り出される。
[Operation of optical wireless power supply device]
The operation of the optical wireless power supply device will be described. As shown in FIGS. 9 and 10, consider a case where a light beam 200 such as a laser beam is incident from the outside somewhere on the light incident surface of the reflector array 10 of the optical wireless power feeding device from a substantially vertical direction. The incident light beam 200 is reflected by each reflector 11 of the reflector array 10 and then enters the inside of the asymmetric planar optical waveguide 20. The light that has entered the inside of the asymmetric planar optical waveguide 20 is repeatedly totally reflected at the interface between the bottom surface of the asymmetric planar optical waveguide 20 and the asymmetric planar optical waveguide 20 and the air layer, and the asymmetric planar optical waveguide 20 has a tapered shape. Since the cross-sectional area gradually increases toward the power generation unit 30, the inside of the asymmetric planar optical waveguide 20 is guided in the direction of the arrow, and the light is emitted from the light emitting end surface of the asymmetric planar optical waveguide 20. The light is incident on the end face of the semiconductor layer 40 of the power generation unit 30 to generate power (photoelectric conversion). Electron-hole pairs are generated in the semiconductor layer 40 in the process of the waveguide light traveling in the semiconductor layer 40. Then, the electrons and holes thus generated move in the semiconductor layer 40 by drift or diffusion, and are collected on one and the other of the first electrode 50 and the second electrode 60. In this way, photoelectric conversion is performed in the semiconductor layer 40, and a current (photocurrent) is taken out from the first electrode 50 and the second electrode 60.

[光無線給電装置の検証実験]
コンピュータシミュレーションにより、光無線給電装置の性能の検証実験を行った。図11は、非対称面状光導波路20および反射鏡アレイ10の2層構造を仮定して行った光波の追跡実験をコンピュータシミュレーションにより行った結果を示す。この構造は、空間反転対称性を有しておらず(即ち、非対称面状光導波路20内を伝搬する際に光が見る景色が、時間が逆転したときと正転しているときとで同じではなく)、非対称面状光導波路20の端部に設けられた光電変換素子の半導体層40の表面反射率を数%以下とすることで、時間反転相当波の発生を抑制することができる。即ち、一旦、非対称面状光導波路20内の導波光と化した光が再び3次元空間(自由空間)伝搬光化することを抑制することが可能となる。これらの非対称面状光導波路20および反射鏡アレイ10の厚さ方向をz軸、これらの非対称面状光導波路20および反射鏡アレイ10に平行な方向をx軸、これらのx軸およびz軸に垂直な方向をy軸とした。以下、指向性のある光、即ち光ビームが直径数mm以下に絞られた場合をビーム光と、また10mm以上に制御された場合をダイリューテッド(diluted)光(指向性はあるものの、狭ビーム状ではなく空間的に一定密度で拡がった状態の光)と定義する。図11は、光波の電場のy軸方向の振幅Ey の大きさ(強度)のxz面内の分布を示したものである。シミュレーションの諸条件は下記の通りである。非対称面状光導波路20の底面に対する斜面の傾斜角は7°とした。非対称面状光導波路20の屈折率はn=1.585とした。反射鏡アレイ10を構成する放物線鏡からなる反射鏡11の材料はAgとし、透明層12の屈折率はn=1.35とした。z軸の負の方向から反射鏡アレイ10に光が入射すると設定した。図11より、図9に示すような光路で入射光が反射鏡アレイ10の反射鏡11で反射され、非対称面状光導波路20の内部に入り、外部に漏れることなく効率的にこの非対称面状光導波路20の内部をx軸方向に導波されている様子が良く分かる。図12は、外部から入射するビーム光が反射鏡アレイ10と非対称面状光導波路20との結合系に入射する際の導波状態の場所依存性を検証するために行ったシミュレーションの結果を示す略線図である。なお、図12においては、反射鏡アレイ10の反射鏡を放物線鏡と、非対称面状光導波路20をテーパー導波路と記載している(図13においても同様)。図13は、外部から入射する光が、ダイリューテッド光の場合の同様な結果である。ダイリューテッド光の方が、空間伝搬光から導波路内伝搬光へと転化する効率が高いことが示された。パワービーミングの際の光の空間分布の最適化に有用な情報である。ダイリューテッド光はビーム光に比べて空間的なエネルギー密度を下げることができるので、万が一ビーミングの経路に人や物が誤って侵入した等の際に、その被害を極小化することができ、本発明の意義が更に高まる。図14は、外部から入射する光(ビーム光およびダイリューテッド光)が反射鏡アレイ10と非対称面状光導波路20との結合系に入射する際に3次元(3D)空間伝搬光から導波路内2次元空間(2D)伝搬光へと転化する効率の光入射位置依存性を示す。図14で横軸の原点は、図11の非対称面状光導波路20(テーパー導波路)(この計算では、導波路部屈折率1.58および放物線が埋め込まれた部分の屈折率1.35に対応して7°のテーパー角を有する)の尖端であり、逆の端はそこから100μmの位置にある。導波の様子は、角度だけの関数であるので、図12および図13の結果は、非対称面状光導波路20の拡がりサイズを同導波路のテーパー厚みで規格化することができ、図14に示すような結果を得る(このようなスケーリング則の活用により、必要なサイズに応じて導波路構造を設計できる)。図14でも非対称面状光導波路20の尖端は横方向(ラテラル)位置X=0にあり、非対称面状光導波路20の他端はX=11(即ち、非対称面状光導波路20の厚みの11倍の距離)に存在する。3次元空間伝搬光から導波路内伝搬光へと転化する効率は、光の着地ポイントによらずほぼ一定であることが分かる。非対称面状光導波路20のテーパー厚みを10mm程度と取れば、図4に示す反射鏡アレイ10(同心円状周期配列放物線鏡)と非対称面状光導波路20との結合系の受光部のサイズは10cm角程度と設定できる。これは、非特許文献1、2に示された従来技術においてビーム着地点が数cm程度ふらつくことで被ってきた数分の一から数十分の一への出力減少が、この光無線給電装置では(図14に示すように場所依存性を非常に小さくできることから)ほぼ完全に抑制できることを示している。場所非依存性は、ビーム光に対してより顕著であるが、ダイリューテッド光に対してもかなり良好な結果が得られている。この光無線給電装置では、例えば、市販の光電変換素子(MH GoPowerの素子“5S1010.4”)を非対称面状光導波路20の光出射端面に張り付けることで(同素子は、10mm×10mmのサイズと厚み400μmを有し、波長915nmのレーザー光に対し入射光パワー1463.3mW時に効率40.5%を有する(非特許文献3参照)ことから)、この比較的高い効率にて(ビーム光の着地点のふらつきが数cmに亘ってしまっても、その着地場所に依らず)安定した光無線給電が行えることを意味する。
[Verification experiment of optical wireless power supply device]
A computer simulation was used to verify the performance of the optical wireless power supply device. FIG. 11 shows the results of a computer simulation of a light wave tracking experiment performed assuming a two-layer structure of an asymmetric planar optical waveguide 20 and a reflector array 10. This structure does not have spatial inversion symmetry (that is, the scenery seen by light when propagating in the asymmetric planar optical waveguide 20 is the same when the time is reversed and when it is rotating forward. By setting the surface reflectance of the semiconductor layer 40 of the photoelectric conversion element provided at the end of the asymmetric planar optical waveguide 20 to several percent or less, it is possible to suppress the generation of time-reversal equivalent waves. That is, it is possible to prevent the light once converted into waveguide light in the asymmetric planar optical waveguide 20 from being converted into three-dimensional space (free space) propagating light again. The thickness direction of these asymmetric planar optical waveguides 20 and the reflector array 10 is the z-axis, and the direction parallel to these asymmetric planar optical waveguides 20 and the reflector array 10 is the x-axis, and these x-axis and z-axis. The vertical direction was defined as the y-axis. Hereinafter, directional light, that is, beam light when the light beam is narrowed down to a diameter of several mm or less, and diluted light when the light beam is controlled to 10 mm or more (directivity but narrow). It is defined as light that spreads spatially at a constant density rather than in the form of a beam). FIG. 11 shows the distribution of the magnitude (intensity) of the amplitude E y in the y-axis direction of the electric field of the light wave in the xz plane. The conditions of the simulation are as follows. The inclination angle of the slope with respect to the bottom surface of the asymmetric planar optical waveguide 20 was 7 °. The refractive index of the asymmetric planar optical waveguide 20 was set to n = 1.585. The material of the reflector 11 made of a parabolic mirror constituting the reflector array 10 was Ag, and the refractive index of the transparent layer 12 was n = 1.35. It was set that light was incident on the reflector array 10 from the negative direction of the z-axis. From FIG. 11, incident light is reflected by the reflector 11 of the reflector array 10 in the optical path as shown in FIG. 9, enters the inside of the asymmetric planar optical waveguide 20, and efficiently enters the asymmetric planar waveguide 20 without leaking to the outside. It can be clearly seen that the inside of the optical waveguide 20 is guided in the x-axis direction. FIG. 12 shows the results of a simulation performed to verify the location dependence of the waveguide state when the beam light incident from the outside enters the coupling system of the reflector array 10 and the asymmetric planar optical waveguide 20. It is a schematic diagram. In FIG. 12, the reflector of the reflector array 10 is described as a parabolic mirror, and the asymmetric plane optical waveguide 20 is described as a tapered waveguide (the same applies to FIG. 13). FIG. 13 shows a similar result when the light incident from the outside is diluted light. It was shown that diluted light is more efficient in converting spatially propagating light to intrawaveduct propagating light. This information is useful for optimizing the spatial distribution of light during power beaming. Diluted light can reduce the spatial energy density compared to beam light, so in the unlikely event that a person or object accidentally invades the beaming path, the damage can be minimized. The significance of the present invention is further enhanced. FIG. 14 shows a waveguide from three-dimensional (3D) space propagating light when light (beam light and diluted light) incident from the outside enters the coupling system of the reflector array 10 and the asymmetric planar optical waveguide 20. It shows the light incident position dependence of the efficiency of conversion to inner two-dimensional space (2D) propagating light. In FIG. 14, the origin of the horizontal axis is the asymmetric plane optical waveguide 20 (tapered waveguide) in FIG. 11 (in this calculation, the refractive index of the waveguide portion is 1.58 and the refractive index of the portion where the parabola is embedded is 1.35. It is the tip (with a corresponding taper angle of 7 °), and the opposite end is 100 μm from it. Since the state of waveguide is a function of only the angle, the results of FIGS. 12 and 13 show that the spread size of the asymmetric planar optical waveguide 20 can be standardized by the taper thickness of the waveguide. The results shown are obtained (by utilizing such a scaling law, the waveguide structure can be designed according to the required size). Also in FIG. 14, the tip of the asymmetric planar optical waveguide 20 is at the lateral (lateral) position X = 0, and the other end of the asymmetric planar optical waveguide 20 is X = 11 (that is, the thickness of the asymmetric planar optical waveguide 20 is 11). It exists at twice the distance). It can be seen that the efficiency of converting the three-dimensional space-propagating light to the light propagating in the waveguide is almost constant regardless of the landing point of the light. Assuming that the taper thickness of the asymmetric planar optical waveguide 20 is about 10 mm, the size of the light receiving portion of the coupling system between the reflector array 10 (concentric periodic array parabolic mirror) shown in FIG. 4 and the asymmetric planar optical waveguide 20 is 10 cm. It can be set to about the corner. This is because in the prior art shown in Non-Patent Documents 1 and 2, the output is reduced from a fraction to a few tenths caused by the beam landing point swaying by about several centimeters. (Since the location dependence can be made very small as shown in FIG. 14), it is shown that it can be suppressed almost completely. The location independence is more pronounced for beam light, but fairly good results are also obtained for diluted light. In this optical wireless power feeding device, for example, a commercially available photoelectric conversion element (MH GoPower element “5S1010.4”) is attached to the light emitting end surface of the asymmetric planar optical waveguide 20 (the element is 10 mm × 10 mm). It has a size and thickness of 400 μm, and has an efficiency of 40.5% at an incident light power of 1463.3 mW with respect to a laser beam having a wavelength of 915 nm (see Non-Patent Document 3), and at this relatively high efficiency (beam light). This means that stable optical wireless power supply can be performed (regardless of the landing location) even if the wobbling of the landing point extends over several centimeters.

図15の右下の挿入図に示すように、図3に示す反射鏡アレイを試作した。図15の左下の挿入図は図3に示す反射鏡アレイの斜視図である。図15より、Z=6mmに設定通りに焦点を結んでいることが分かる。焦点のライン幅は、観測値で0.8±0.1mm程度であり、光を受けたスクリーンの厚みが0.16mm程度あること、斜め入射であることを勘案すると、実効的な焦点のライン幅は0.6mm程度と見積もられる。この焦点をこの反射鏡アレイの下に設けられる非対称面状光導波路20の内部に来るように配置することで、光は図11に示すように完全反射で効率良く、導波路端へと導かれる。 As shown in the insertion view at the lower right of FIG. 15, the reflector array shown in FIG. 3 was prototyped. The lower left insertion view of FIG. 15 is a perspective view of the reflector array shown in FIG. From FIG. 15, it can be seen that the focus is set to Z = 6 mm as set. The focal line width is about 0.8 ± 0.1 mm in the observed value, and considering that the thickness of the screen that received the light is about 0.16 mm and that it is obliquely incident, it is an effective focal line. The width is estimated to be about 0.6 mm. By arranging the focal point so as to come inside the asymmetric surface optical waveguide 20 provided under the reflector array, the light is completely reflected and efficiently guided to the waveguide end as shown in FIG. ..

図16に示すように、図4に示す反射鏡アレイを試作した。試作は3Dプリンタを用いて行った。この反射鏡アレイでは、図16中、破線の矢印で示すようにビーム光が入射すると、図16中、実線の矢印で示すように、反射鏡アレイの光出射側の端面の中心に向かって収束するように導波される。このため、反射鏡アレイの光出射側の端面の中心に微小な太陽電池300を結合することで十分な光電変換を行うことができる。 As shown in FIG. 16, the reflector array shown in FIG. 4 was prototyped. The trial production was performed using a 3D printer. In this reflector array, when the beam light is incident as shown by the broken arrow in FIG. 16, it converges toward the center of the end face on the light emitting side of the reflector array as shown by the solid arrow in FIG. Waveguided to. Therefore, sufficient photoelectric conversion can be performed by coupling the minute solar cell 300 to the center of the end face on the light emitting side of the reflector array.

図17は図4に示す回転対称性(即ち、円筒座標系におけるφ方向の対称性)を持つ反射鏡アレイについて、反射鏡アレイの光出射側の端面の中心への集光性能を評価した結果を示す。図17中、Concentric PPMは同心円状の周期配列放物線鏡、Parallel PPMは併進対称性を有する周期配列放物線鏡を意味する。図17に示すように、図14に示した併進対称性を有する反射鏡アレイのデータとほぼ同じ焦点におけるライン幅が観測され、同心円状の周期配列放物線鏡からなる反射鏡アレイも良好な光学特性を有することが実証された。 FIG. 17 shows the result of evaluating the focusing performance of the reflector array having the rotational symmetry (that is, the symmetry in the φ direction in the cylindrical coordinate system) shown in FIG. 4 toward the center of the end face on the light emitting side of the reflector array. Is shown. In FIG. 17, Concentric PPM means a concentric periodic parabolic mirror, and Parallel PPM means a periodic parabolic mirror having translational symmetry. As shown in FIG. 17, a line width at a focal point almost the same as that of the data of the retroreflector array having translational symmetry shown in FIG. 14 is observed, and the reflector array composed of concentric periodic parabolic mirrors also has good optical characteristics. It was demonstrated to have.

図18は、反射鏡アレイ10の反射鏡11の設計により、反射鏡アレイ10に対するビーム光の入射側から見た時に反射鏡11が見えなくする方法を示す。即ち、隣り合う2つの反射鏡11の向かって右の反射鏡11の右端に入射した光は、この反射鏡11で反射して左隣の反射鏡11の根本ぎりぎりに進路をとり下に存在する非対称面状光導波路20に入射する。他方、隣り合う2つの反射鏡11の向かって右の反射鏡11の左端に入射した光は、当該部で反射してそのまま非対称面状光導波路20に入射する。こうして、上方から飛来する光は、そのすべてが、周期配列放物線鏡からなる反射鏡アレイ10に散乱されることなく非対称面状光導波路20へ入射する。図19AおよびBはそれぞれ、反射鏡アレイ10にビーム光を入射させた場合の反射鏡アレイ10の端面における光強度分布および非対称面状光導波路20の光出射端面における光強度分布を示す。図19Aは屈折率マッチングを取らない場合(非対称面状光導波路20の屈折率n=1.58、透明層12の屈折率n=1)、図19Bはマッチングを取った場合(非対称面状光導波路20の屈折率n=1.58、透明層12の屈折率n=1.35)であり、図11のシミュレーションの設定に一致した屈折率マッチングが成立しており、計算どおり光は非対称面状光導波路20内に閉じ込められて導波していることが実験で実証された。 FIG. 18 shows a method of making the reflector 11 invisible when viewed from the incident side of the beam light with respect to the reflector array 10 by designing the reflector 11 of the reflector array 10. That is, the light incident on the right end of the right reflecting mirror 11 facing the two adjacent reflecting mirrors 11 is reflected by the reflecting mirror 11 and exists underneath the root of the left adjacent reflecting mirror 11. It is incident on the asymmetric planar optical waveguide 20. On the other hand, the light incident on the left end of the right reflecting mirror 11 facing the two adjacent reflecting mirrors 11 is reflected by the portion and is directly incident on the asymmetric plane optical waveguide 20. In this way, all of the light coming from above is incident on the asymmetric planar optical waveguide 20 without being scattered by the reflector array 10 made of a periodic parabolic mirror. 19A and 19B show the light intensity distribution on the end face of the reflector array 10 and the light intensity distribution on the light emitting end face of the asymmetric planar optical waveguide 20 when the beam light is incident on the reflector array 10, respectively. FIG. 19A shows the case where the refractive index matching is not performed (refractive index n = 1.58 of the asymmetric planar optical waveguide 20 and the refractive index n = 1 of the transparent layer 12), and FIG. 19B shows the case where matching is performed (asymmetric planar light). The refractive index n of the waveguide 20 is 1.58, the refractive index of the transparent layer 12 is n = 1.35), and the refractive index matching that matches the setting of the simulation of FIG. 11 is established, and the light is an asymmetric surface as calculated. Experiments have demonstrated that the light is confined in the optical waveguide 20 and is waveguideed.

この光無線給電装置による発電性能を、一般的なSi太陽電池単体の発電性能と比較した。図20に1Sun の状態で測定した当該Si太陽電池の電圧−電流特性を示す。光電変換効率は十数%であることが分かった。これに対し、図16に示す周期配列放物線鏡からなる反射鏡アレイ10と非対称面状光導波路20とを結合した図16に示す集光光学系において、その非対称面状光導波路20の光出射端面に同じSi太陽電池を光面直入射配置で特性評価した結果を図21に示す。周期配列放物線鏡からなる反射鏡アレイ10の受光面積は、非対称面状光導波路20の光出射端面の面積より大きいので、この系は、集光光学系を構成するが、この集光性により、図21の特性は図20の特性に比べ、同じSi太陽電池を用いているにもかかわらず、発電量は約4倍の値を示している。図16に示す太陽電池300に、放物線鏡からなる反射鏡11の存在する領域(図16では矩形の領域)に入射した光が図16中の破線と実線で示すように全て集まってくる。従って、長距離伝搬してきたレーザービームなどの光ビームが空気や水など途中の媒体の揺らぎで、到達地点がばらついても図16の矩形領域にさえ入れば、当該周期配列放物線鏡からなる反射鏡アレイ10とこれと結合した非対称面状光導波路20(この場合は、扁平な円錐を切り取った構造を持つ)の作用により、上記太陽電池300へと導かれる。すなわち、光ビームの着地点の揺らぎの影響は殆どなくなる。 The power generation performance of this optical wireless power supply device was compared with the power generation performance of a general Si solar cell alone. FIG. 20 shows the voltage-current characteristics of the Si solar cell measured in the state of 1 Sun. It was found that the photoelectric conversion efficiency was a dozen percent. On the other hand, in the condensing optical system shown in FIG. 16 in which the reflector array 10 composed of the periodic array parabolic mirror shown in FIG. 16 and the asymmetric planar optical waveguide 20 are combined, the light emitting end surface of the asymmetric planar optical waveguide 20 FIG. 21 shows the results of characteristic evaluation of the same Si solar cell in a direct incident arrangement on the optical surface. Since the light receiving area of the reflector array 10 composed of the periodic parabolic mirror is larger than the area of the light emitting end face of the asymmetric planar optical waveguide 20, this system constitutes a condensing optical system. Compared to the characteristics of FIG. 20, the characteristics of FIG. 21 show a value of about four times the amount of power generated even though the same Si solar cell is used. In the solar cell 300 shown in FIG. 16, all the light incident on the region where the reflector 11 made of a parabolic mirror exists (rectangular region in FIG. 16) is collected as shown by the broken line and the solid line in FIG. Therefore, even if the light beam such as a laser beam that has propagated over a long distance fluctuates in the middle of a medium such as air or water, even if the arrival point varies, as long as it enters the rectangular area of FIG. 16, a reflector composed of the periodic parabolic mirror. It is guided to the solar cell 300 by the action of the array 10 and the asymmetrical optical waveguide 20 (in this case, having a structure obtained by cutting out a flat cone) coupled thereto. That is, the influence of the fluctuation of the landing point of the light beam is almost eliminated.

この第1の実施の形態によれば、反射鏡アレイ10の一方の主面が光入射面となるため、光無線給電を受ける、空中に滞在するドローンなどの移動体の場所の揺らぎがあっても、光無線給電に用いる光ビーム200を光入射面に確実に入射させることができ、反射鏡アレイ10の反射鏡11で光ビーム200を反射させて非対称面状光導波路20に入射した後、この非対称面状光導波路20内を発電部30に向かって導波させることができ、最終的に導波光を発電部30に入射させて発電(光電変換)することができる。このため、空中、水中(特に海中)、地上、宇宙空間、月面などに滞在するドローンなどの各種の移動体に光ビーム200による光無線給電により安定的かつ効率的に電力を供給することができる。特にこの「安定的に光を発電部の光電変換素子に供給できる」ことの直接の帰結として、当該パワー伝送光[の安定性により今や時間的に一定かまたはゆっくりとしかその強度が変化しないので、この低振動成分]に高周波成分を重畳することが有意かつ可能となり、パワー伝送光そのものにより、電力のみならず同時に通信・制御の情報をも当該無人機・駆動体などに送ることが可能となることはこの光無線給電装置がもたらす別のまた大きなメリットである。更にまた、この光無線給電装置は基本的に反射光学系を形成するので、波長依存性が小さく、別の帯域の光、特に通信用の波長帯の光(電磁波)も同様に集光して非対称面状光導波路20の端部に設置した光電変換素子からなる発電部30(半導体素子)へ届けることができることから、当該移動体との情報通信のロバストネスも反射鏡アレイ10をアンテナとして用いたこの光無線給電装置の導波路システムにより同時に実現することができる。即ち、非対称面状光導波路20の端部に設置したパワービーミング用受光素子、言い換えると発電部30の裏に、相対的にバンドギャップの小さい半導体よりなる信号処理用素子を置くと、この半導体に対応する長波長光は、前面の半導体をすり抜けて後面に達することができる。こうしてこの光無線給電装置の、光の進行方向を変換しかつ良好な導波特性を有する非対称面状光導波路20は一つながらこれを共有して、パワービーミングを前面で行いつつ、後面では信号処理を同時に一括して行うことができる。 According to this first embodiment, since one main surface of the reflector array 10 is the light incident surface, there is fluctuation in the location of a moving body such as a drone that receives optical radio power supply and stays in the air. However, the light beam 200 used for optical wireless power feeding can be reliably incident on the light incident surface, and after the light beam 200 is reflected by the reflector 11 of the reflector array 10 and incident on the asymmetric planar optical waveguide 20. The inside of the asymmetric planar optical waveguide 20 can be made to waveguide toward the power generation unit 30, and finally the waveguide light can be incident on the power generation unit 30 to generate power (photoelectric conversion). Therefore, it is possible to stably and efficiently supply electric power to various moving objects such as drones staying in the air, underwater (especially under the sea), on the ground, in outer space, on the moon, etc. by optical wireless power supply by the optical beam 200. it can. In particular, as a direct result of this "stable supply of light to the photoelectric conversion element of the power generation unit", the intensity of the power transmission light [now changes only constantly or slowly due to the stability of the power transmission light [. It is possible to superimpose a high frequency component on this low vibration component], and it is possible to send not only power but also communication / control information to the unmanned machine / drive body, etc. at the same time by the power transmission light itself. This is another great advantage of this optical wireless power supply device. Furthermore, since this optical wireless power feeding device basically forms a reflection optical system, it has a small wavelength dependence and also collects light in another band, particularly light (electromagnetic wave) in a wavelength band for communication. Since it can be delivered to the power generation unit 30 (semiconductor element) composed of the photoelectric conversion element installed at the end of the asymmetric planar optical waveguide 20, the robustness of information communication with the moving body also uses the reflector array 10 as an antenna. It can be realized at the same time by the waveguide system of this optical wireless power feeding device. That is, when a signal processing element made of a semiconductor having a relatively small bandgap is placed behind the power beaming light receiving element installed at the end of the asymmetric planar optical waveguide 20, in other words, the power generation unit 30, the semiconductor has The corresponding long wavelength light can pass through the semiconductor on the front surface and reach the rear surface. In this way, the asymmetrical planar optical waveguide 20 of this optical wireless power feeding device, which changes the traveling direction of light and has good waveguide characteristics, shares this one while performing power beaming on the front side and a signal on the rear side. Processing can be performed collectively at the same time.

〈第2の実施の形態〉
[光無線給電装置]
第2の実施の形態による光無線給電装置においては、第1の実施の形態による光無線給電装置と異なり、楔状の非対称面状光導波路20ではなく、全体として平板状の非対称面状光導波路20を用いる。図22は第2の実施の形態による光無線給電装置の特に反射鏡アレイ10および非対称面状光導波路20の部分を示す(特許文献2参照)。発電部30については第1の実施の形態による光無線給電装置と同様である。図22に示すように、この場合、反射鏡アレイ10および非対称面状光導波路20は、クラッド層311と導波方向に間隔δで周期的に配置された複数のクラッド層312とにより平板状の導波コア層313の上下が挟まれた構造により形成されている。クラッド層311は導波コア層313の一方の主面(上面)を連続に被覆し、クラッド層312は導波コア層313の他方の主面(下面)を不連続に被覆している。クラッド層311とクラッド層312とは全体として、導波コア層313を不連続に被覆するクラッド層を構成する。即ち、このクラッド層は、導波コア層313を被覆していない断絶部の端部(例えば、図22中、Eで示す)と、この断絶部に対して導波コア層313の導波方向と反対側でかつ導波コア層313から離れた位置(例えば、図22中、Pで示す)との間に延在し、導波コア層313の導波方向に向かって導波コア層313に次第に近づき、かつ後述のように断絶部の端部における接線が導波コア層313に平行またはほぼ平行になるように設けられた構造をその一部に有する。導波コア層313の両側面はクラッド層311の延長部により被覆してもよいし、反射面により構成してもよい。クラッド層312と導波コア層313との結合部分の詳細を図23に示す。図23においては、クラッド層312をクラッド層312−a、312−b、312−c、312−dで示す。それぞれのクラッド層312と隣のクラッド層312との間には光導入コア層314が設けられている。図23においては、光導入コア層314を光導入コア層314−a、314−b、314−c、314−dで示す。クラッド層312および光導入コア層314は図22の垂直方向(奥行き方向)に所定距離延びている。クラッド層312は導波コア層313の導波方向に凹に湾曲した形状を有し、その形状は必要に応じて選ばれるが、図22では、一例としてクラッド層12が四分の一円の形状を有する場合が示されている。クラッド層312の導波コア層313側の端部の接線は導波コア層313の面と一致しており、従って導波コア層313内の導波方向と一致している。言い換えると、クラッド層312の導波コア層313側の端部は導波コア層313にタンジェンシャルに接続している。クラッド層311、312および導波コア層313の屈折率は、クラッド層311、312により導波コア層311内に光を閉じ込めることができるように、導波コア層313の屈折率に対してクラッド層311、312の屈折率が小さく選ばれている。また、クラッド層312および光導入コア層314の屈折率は、クラッド層312により光導入コア層314内に光を閉じ込めることができるように、光導入コア層314の屈折率に対してクラッド層312の屈折率が小さく選ばれている。導波コア層313の屈折率と光導入コア層314の屈折率とは好適には等しく選ばれるが、これに限定されるものではない。この光無線給電装置においては、周期的に配列した、湾曲した断面を有する光導入コア層314とクラッド層312とにより構成される導波路集合体により反射鏡アレイ10が構成されている。この場合、図22の下面から上に向かって入射した光が、クラッド層312の機能により光導入コア層314内を全反射を繰り返しながら最終的に導波コア層313へと導かれる。この意味で反射鏡アレイ10と同様な機能を有する。こうして受光部と発電部とを結び且つ光の進行方向を変換する機能を有する空間的に非対称な導波路を形成する。
<Second Embodiment>
[Optical wireless power supply device]
In the optical wireless power feeding device according to the second embodiment, unlike the optical wireless power feeding device according to the first embodiment, instead of the wedge-shaped asymmetric planar optical waveguide 20, the flat plate-shaped asymmetric planar optical waveguide 20 as a whole is used. Is used. FIG. 22 shows a portion of the optical wireless power feeding device according to the second embodiment, particularly the reflector array 10 and the asymmetric planar optical waveguide 20 (see Patent Document 2). The power generation unit 30 is the same as the optical wireless power feeding device according to the first embodiment. As shown in FIG. 22, in this case, the reflector array 10 and the asymmetric plane optical waveguide 20 are flattened by the clad layer 311 and a plurality of clad layers 312 periodically arranged at intervals δ in the waveguide direction. It is formed by a structure in which the upper and lower sides of the waveguide core layer 313 are sandwiched. The clad layer 311 continuously covers one main surface (upper surface) of the waveguide core layer 313, and the clad layer 312 discontinuously covers the other main surface (lower surface) of the waveguide core layer 313. The clad layer 311 and the clad layer 312 together form a clad layer that discontinuously covers the waveguide core layer 313. That is, this clad layer has an end portion of a disconnection portion that does not cover the waveguide core layer 313 (for example, indicated by E in FIG. 22) and a waveguide direction of the waveguide core layer 313 with respect to this disconnection portion. The waveguide core layer 313 extends in the direction opposite to the waveguide and away from the waveguide core layer 313 (for example, indicated by P in FIG. 22) and toward the waveguide direction of the waveguide core layer 313. It has a structure in which the tangent line at the end of the disconnection portion is provided so as to be parallel to or substantially parallel to the waveguide core layer 313 as described later. Both side surfaces of the waveguide core layer 313 may be covered with an extension portion of the clad layer 311 or may be formed by a reflective surface. The details of the coupling portion between the clad layer 312 and the waveguide core layer 313 are shown in FIG. In FIG. 23, the clad layer 312 is represented by clad layers 312-a, 312-b, 312-c, and 312-d. A light introduction core layer 314 is provided between each clad layer 312 and the adjacent clad layer 312. In FIG. 23, the light introduction core layer 314 is shown by the light introduction core layers 314-a, 314-b, 314-c, and 314-d. The clad layer 312 and the light introduction core layer 314 extend by a predetermined distance in the vertical direction (depth direction) of FIG. The clad layer 312 has a shape that is concavely curved in the waveguide direction of the waveguide core layer 313, and the shape is selected as necessary. In FIG. 22, the clad layer 12 has a quarter circle as an example. Cases with a shape are shown. The tangent at the end of the cladding layer 312 on the waveguide core layer 313 side coincides with the plane of the waveguide core layer 313 and therefore coincides with the waveguide direction within the waveguide core layer 313. In other words, the end of the cladding layer 312 on the waveguide core layer 313 side is tangentially connected to the waveguide core layer 313. The refractive index of the clad layers 311 and 312 and the waveguide core layer 313 is clad with respect to the refractive index of the waveguide core layer 313 so that light can be confined in the waveguide core layer 311 by the clad layers 311 and 312. The refractive index of layers 311 and 312 is selected to be small. Further, the refractive index of the clad layer 312 and the light introduction core layer 314 is the clad layer 312 with respect to the refractive index of the light introduction core layer 314 so that the light can be confined in the light introduction core layer 314 by the clad layer 312. The refractive index of light is selected to be small. The refractive index of the waveguide core layer 313 and the refractive index of the light introduction core layer 314 are preferably selected equally, but are not limited thereto. In this optical wireless power feeding device, the reflector array 10 is composed of a waveguide assembly composed of a light introduction core layer 314 having a curved cross section and a clad layer 312 arranged periodically. In this case, the light incident upward from the lower surface of FIG. 22 is finally guided to the waveguide core layer 313 while repeating total reflection in the light introduction core layer 314 by the function of the clad layer 312. In this sense, it has the same function as the reflector array 10. In this way, a spatially asymmetric waveguide having a function of connecting the light receiving unit and the power generation unit and changing the traveling direction of light is formed.

上記の湾曲した断面形状を有するクラッド層312は、光入射面で、その接線としては、垂直のものを持つ。当該湾曲断面形状は、導波コア層313へタンジェンシャルに接すればいろいろな形状が許されるが、特に、縦長の楕円と横長の楕円を導波コア層313の近傍(望ましくは光入射面より導波コア層313に近い位置)で接続した構造が高効率の光伝搬を可能とする。この湾曲した断面形状の光入射面と反対の終端部では、クラッド層312は断絶し、そこで水平方向の接線を持つ。クラッド層312が間隔δをもって横方向に周期的に配置されるので、四分の一円の上部の終端部では、図22に示すように、導波コア層313(屈折率大の部分)がクラッド層312に閉じ切られておらず、幾何学的にオープンな構造を持つことが特徴である。これにより、図23に示すように導波方向にx軸を取る(導波コア層313の厚さ方向にz軸を取り、図23の紙面に垂直方向にy軸を取る)と、クラッド層312が不連続となる地点をx=xi と記すと、x<xi では、導波コア層313およびその下部近傍において、図23に示すように、導波方向に沿って(断面形状として)クラッド層312が4本、即ちクラッド層312−a、312−b、312−c、312−dが存在する。即ち、図23に示すクラッド層312−aが断絶した地点以降の領域(x≧xi )では、始点以外の外界より(図23では、左下側から光導入コア層314−aを通じて)、導波コア層313へ光が侵入することができる。x=xi よりδ(2δ)だけ右側にずれた地点、即ち、x=xi +δ(x=xi +2δ)では、光導入コア層314−b(光導入コア層314−c)(支流)が、導波コア層313(本流)に合流する。クラッド層312−a 、312−b、312−cの右終端部(断絶部)での接線は、導波光進行方向に平行またはほぼ平行になっている。即ち、クラッド層312−a 、312−b、312−cの終端部の導波コア層313へのタンジェンシャル接続が形成されている。このようにして、導波コア層313には進行方法に沿っての連続的併進対称性を持たせ、クラッド層312に関しては、周期δの離散的な併進対称性を持たせる。これにより、導波コア層313は、準解放構造を持つこととなる。xi −δ<x<xi において導波コア層313に最近接するクラッド層312−aは、上記終端部x=xi において不連続構造を持つものの、下方より滑らかにほぼ平行性を持ちつつ導波コア層313に近づいてくる一層下の別のクラッド層312−bが、上記最近接クラッド層の断絶をカバーするとともに自らが最近接クラッド層となることで、導波コア層313内の光が、損失を生じることなく、向かって右側へと効率良く導波される。また、この時、各非連続クラッド層312は、その上部の終端部において、幾何学的に上部のクラッド層311に平行またはほぼ平行である。導波方向はクラッド層311に平行であることから(当然ながら水平方向であるので)、断絶クラッド層312は、導波方向に沿って、その最後端において導波コア層313に対して上述の如く、タンジェンシャルに合流するような構造を持つ。x=xi において最近接クラッド層312−aが終端した地点から、ホイヘンスの原理に従って、微小球面波として導波コア層313を導波してきた光は拡がろうとするが、上記のタンジェンシャル性をもって下から近接してくる一段下の層のクラッド層312−bにより全反射される。上記の“平行またはほぼ平行であること”とは、上記過程によって全反射が生じ得る程度に平行であることにより定義される。この平行性により、上記のように導波コア層313内の光は散逸することなく、ほぼ100%効率良く導波される。x=xi +δにおいてもクラッド層312−bとクラッド層312−cについて全く同様のことが生じる。 The clad layer 312 having the curved cross-sectional shape is a light incident surface and has a vertical tangent line. Various shapes are allowed as long as the curved cross-sectional shape is tangentially in contact with the waveguide core layer 313, but in particular, a vertically long ellipse and a horizontally long ellipse are guided in the vicinity of the waveguide core layer 313 (preferably from the light incident surface). A structure connected at a position close to the waveguide layer 313 enables highly efficient light propagation. At the end opposite to the light incident surface of this curved cross section, the clad layer 312 is cut off, where it has a horizontal tangent. Since the clad layer 312 is periodically arranged in the lateral direction with an interval δ, the waveguide core layer 313 (the portion having a large refractive index) is formed at the upper end of the quarter circle, as shown in FIG. It is characterized by having a geometrically open structure without being completely closed by the clad layer 312. As a result, when the x-axis is taken in the waveguide direction as shown in FIG. 23 (the z-axis is taken in the thickness direction of the waveguide core layer 313 and the y-axis is taken in the direction perpendicular to the paper surface of FIG. 23), the clad layer is taken. When the point where 312 is discontinuous is described as x = x i , when x <x i , in the vicinity of the waveguide core layer 313 and its lower portion, as shown in FIG. 23, along the waveguide direction (as a cross-sectional shape). ) There are four clad layers 312, that is, clad layers 312-a, 312-b, 312-c and 312-d. That is, in the region (x ≧ x i ) after the point where the clad layer 312-a shown in FIG. 23 is cut off, the director is guided from the outside world other than the starting point (in FIG. 23, from the lower left side through the light introduction core layer 314-a). Light can penetrate the waveguide core layer 313. At a point shifted to the right by δ (2δ) from x = x i , that is, at x = x i + δ (x = x i + 2δ), the optical introduction core layer 314-b (optical introduction core layer 314-c) (tributary). ) Joins the waveguide core layer 313 (mainstream). The tangents of the clad layers 312-a, 312-b, and 312-c at the right end (discontinuity) are parallel or substantially parallel to the waveguide light traveling direction. That is, a tangier connection is formed to the waveguide core layer 313 at the end of the clad layers 312-a, 312-b, and 312-c. In this way, the waveguide core layer 313 is provided with continuous translational symmetry along the traveling method, and the cladding layer 312 is provided with discrete translational symmetry having a period δ. As a result, the waveguide core layer 313 has a quasi-open structure. The clad layer 312-a, which is in close contact with the waveguide core layer 313 at x i − δ <x <x i , has a discontinuous structure at the terminal portion x = x i , but is smoother and substantially parallel from below. Another clad layer 312b, which is one layer below the waveguide core layer 313, covers the disconnection of the closest clad layer and becomes the closest clad layer by itself, so that the inside of the waveguide core layer 313 is formed. Light is efficiently guided to the right as it is directed, without loss. Further, at this time, each discontinuous clad layer 312 is geometrically parallel or substantially parallel to the upper clad layer 311 at the upper end portion thereof. Since the waveguide direction is parallel to the clad layer 311 (because it is of course horizontal), the discontinuous clad layer 312 is described above with respect to the waveguide core layer 313 at its rearmost end along the waveguide direction. It has a structure that merges with the tangential. According to the Huygens principle, the light guided through the waveguide core layer 313 as a microspherical wave tries to spread from the point where the closest clad layer 312a is terminated at x = x i, but the above tangentiality It is totally reflected by the cladding layer 312-b, which is one step lower than the layer that approaches from the bottom. The above-mentioned "parallel or nearly parallel" is defined as being parallel to the extent that total reflection can occur by the above process. Due to this parallelism, the light in the waveguide core layer 313 is not dissipated as described above, and is guided almost 100% efficiently. At x = x i + δ, exactly the same thing occurs for the clad layer 312b and the clad layer 312-c.

この第2の実施の形態によれば、楔状の非対称面状光導波路20を用いないでも、第1の実施の形態と同様な利点を得ることができる。 According to this second embodiment, the same advantages as those of the first embodiment can be obtained without using the wedge-shaped asymmetric plane optical waveguide 20.

〈第3の実施の形態〉
[光無線給電ドローン]
図24は第3の実施の形態による光無線給電ドローンを示す。図24に示すように、この光無線給電ドローンにおいては、ドローン400の本体の外面に第1または第2の実施の形態による光無線給電装置500が設置されている。光無線給電装置500の出力端子はドローン400の本体の電源の入力端子に接続されている。給電時には、外部より光無線給電装置500に光ビーム200が照射される。
<Third embodiment>
[Optical wireless power supply drone]
FIG. 24 shows an optical wireless power supply drone according to the third embodiment. As shown in FIG. 24, in this optical wireless power supply drone, the optical wireless power supply device 500 according to the first or second embodiment is installed on the outer surface of the main body of the drone 400. The output terminal of the optical wireless power supply device 500 is connected to the input terminal of the power supply of the main body of the drone 400. At the time of power supply, the optical beam 200 is irradiated to the optical wireless power feeding device 500 from the outside.

第3の実施の形態によれば、ドローン400が空中に滞在する間に場所の揺らぎがあっても、光無線給電に用いる光ビーム200を光無線給電装置500の光入射面に確実に入射させることができるため、光無線給電装置500によりドローン400に安定的かつ効率的に電力を供給することができる。 According to the third embodiment, even if the location fluctuates while the drone 400 stays in the air, the light beam 200 used for the optical wireless power feeding device is surely incident on the light incident surface of the optical wireless power feeding device 500. Therefore, the optical wireless power feeding device 500 can stably and efficiently supply power to the drone 400.

以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、この発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。特に、この発明の最大の特徴は、受光部と発電部との分離にあるが、これにより拡がった光(ダイリューテッド光や、その究極例としての太陽光)の入射に対しては、当該入射光を面積積分する機能(集光性、アンテナ機能)を有し、あるいはこの対極のビーム状の光に対しては、その空間的なビームゆらぎ耐性(ビームのふらつきに対するロバストネス)を有することが可能となるという点で、応用の範囲を大きく広げることができる。また、斜め方向からの光ビーム入射に対してこれを受光面に垂直方向に変換することについては、既に本発明と同一の発明者により特許文献1、2に示されているようにパラボラ断面を持つ構造体或いはパラボロイドを敷き詰めた光波進行方向変換層を用いることが有効である。更なるメリットとしては、受光部と発電部との分離の帰結として、受光部自体はたとえ苛烈な環境に置かれても光自体は荷電中性であることと発電部が相対的に非苛烈環境に置かれることとの相乗効果により、極めて良好な長期信頼性が得られ易いことが挙げられる(これと反対に在来型光電変換素子/太陽電池は、基本的に受光した地点でそのまま発電するので、その戸外設置性故に降水時、特に酸性雨などに対し長期的には常にショートなどのリスクが伴う。耐候性のあるパッシベーションなど光電変換性能とは直接関係の無い要素に足を引っ張られやすくコスト上昇につながるのと対照的である)。また、上記の苛烈な環境には、宇宙空間におけるラディエーションダメージの大きい環境、水中(特に海中における塩水環境)、電気自動車における(車内環境に比しての)車外環境、極地圏における(屋内環境に比べて温度履歴振幅の大きい)屋外環境等も含まれるのは言うまでもない。 Although the embodiments of the present invention have been specifically described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications based on the technical idea of the present invention are possible. In particular, the greatest feature of the present invention is the separation of the light receiving unit and the power generation unit, but the incident of light spread by this (diluted light and sunlight as the ultimate example thereof) is concerned. It has a function of surface integral of incident light (condensing property, antenna function), or has spatial beam fluctuation resistance (robustness against beam wobbling) for the beam-shaped light of the opposite electrode. In that it is possible, the range of applications can be greatly expanded. Further, regarding the conversion of the light beam incident from the oblique direction in the direction perpendicular to the light receiving surface, the parabola cross section is already shown by the same inventor as the present invention in Patent Documents 1 and 2. It is effective to use a structure having a structure or a light wave traveling direction changing layer covered with paraboloids. As a further merit, as a result of the separation of the light receiving part and the power generation part, even if the light receiving part itself is placed in a harsh environment, the light itself is charged neutral and the power generation part is in a relatively non-harsh environment. Due to the synergistic effect of being placed in, it is easy to obtain extremely good long-term reliability (on the contrary, the conventional photoelectric conversion element / solar cell basically generates electricity as it is at the point where it receives light. Therefore, due to its outdoor installation property, there is always a risk of short circuit in the long term due to precipitation, especially acid rain. It is easy to be dragged by factors that are not directly related to photoelectric conversion performance such as weather resistant passion. In contrast, it leads to higher costs). In addition, the above-mentioned harsh environment includes an environment with large radiation damage in outer space, underwater (especially saltwater environment in the sea), an external environment (compared to an in-vehicle environment) in an electric vehicle, and an indoor environment (indoor environment) in the polar region. Needless to say, it also includes outdoor environments (which have a larger temperature history amplitude than the above).

また、上述の実施の形態において挙げた数値、材料、形状、配置などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じて、これらと異なる数値、材料、形状、配置などを用いてもよい。 Further, the numerical values, materials, shapes, arrangements, etc. given in the above-described embodiment are merely examples, and different numerical values, materials, shapes, arrangements, etc. may be used as necessary.

10…反射鏡アレイ、11…反射鏡、12…透明層、20…非対称面状光導波路、30…発電部、40…半導体層、50…第1の電極、60…第2の電極、200…光ビーム、400…ドローン、500…光無線給電装置 10 ... Reflector array, 11 ... Reflector, 12 ... Transparent layer, 20 ... Asymmetric planar optical waveguide, 30 ... Power generation unit, 40 ... Semiconductor layer, 50 ... First electrode, 60 ... Second electrode, 200 ... Optical beam, 400 ... Drone, 500 ... Optical wireless power supply device

Claims (15)

受光部と、
上記受光部と空間的に分離して設けられた光電変換素子からなる発電部と、
上記受光部と上記発電部とを結び且つ光の進行方向を変換する機能を有する空間的に非対称な導波路とを有し、
上記発電部は上記導波路の光出射側の端部に設けられている光無線給電装置。
Light receiving part and
A power generation unit composed of a photoelectric conversion element spatially separated from the light receiving unit,
It has a spatially asymmetric waveguide that connects the light receiving unit and the power generation unit and has a function of converting the traveling direction of light.
The power generation unit is an optical wireless power feeding device provided at an end of the waveguide on the light emitting side.
上記発電部を構成する上記光電変換素子の、上記導波路の上記光出射側の端部に面する表面の反射率が5%以下である請求項1記載の光無線給電装置。 The optical wireless power feeding device according to claim 1, wherein the reflectance of the surface of the photoelectric conversion element constituting the power generation unit facing the end of the waveguide on the light emitting side is 5% or less. 複数の反射鏡が透明層を介して一方向に周期的に配置され、一方の主面が光入射面を構成し、他方の主面が光出射面を構成する平板状の反射鏡アレイと、
上記反射鏡アレイの上記他方の主面に設けられ、外部より上記反射鏡アレイの上記一方の主面に入射して上記反射鏡で反射されることにより入射した光が一方向に導波されるように構成された非対称面状光導波路と、
上記非対称面状光導波路の光出射側の端部に設けられた光電変換素子からなる発電部と、
を有する光無線給電装置。
A flat-plate reflector array in which a plurality of reflectors are periodically arranged in one direction via a transparent layer, one main surface constitutes a light incident surface and the other main surface constitutes a light emitting surface.
The incident light is waveguideed in one direction by being provided on the other main surface of the reflector array and incident on the one main surface of the reflector array from the outside and reflected by the reflector. With an asymmetric specular optical waveguide configured as
A power generation unit composed of a photoelectric conversion element provided at the end of the asymmetric surface optical waveguide on the light emitting side,
Optical wireless power supply device having.
上記非対称面状光導波路は上記光出射側の端面に向かって断面積が徐々に増加する楔状の形状を有する請求項3記載の光無線給電装置。 The optical wireless power feeding device according to claim 3, wherein the asymmetric planar optical waveguide has a wedge-shaped shape in which the cross-sectional area gradually increases toward the end surface on the light emitting side. 上記反射鏡の断面が上記他方の主面の側に頂点を有する放物線状の形状を有する請求項3または4記載の光無線給電装置。 The optical wireless power feeding device according to claim 3 or 4, wherein the cross section of the reflector has a parabolic shape having an apex on the side of the other main surface. 上記放物線の軸は上記他方の主面にほぼ垂直である請求項5記載の光無線給電装置。 The optical wireless power feeding device according to claim 5, wherein the axis of the parabola is substantially perpendicular to the other main surface. 上記反射鏡と上記非対称面状光導波路との幾何学的交点は直線状または上記非対称面状光導波路の上記光出射側の端面上の1点を中心とする同心円弧状の形状を有する請求項3〜6のいずれか一項記載の光無線給電装置。 3. The geometric intersection of the reflector and the asymmetric planar optical waveguide has a linear or concentric arcuate shape centered on one point on the end face of the asymmetrical planar optical waveguide on the light emitting side. The optical wireless power feeding device according to any one of items to 6. 上記反射鏡アレイの上記一方の主面にさらに光波進行方向変換層が設けられ、上記放物線の軸は、上記光波進行方向変換層による進行方向変換後の方向に平行である請求項9記載の光無線給電装置。 The light according to claim 9, wherein a light wave traveling direction conversion layer is further provided on one of the main surfaces of the reflector array, and the axis of the parabola is parallel to the direction after the traveling direction conversion by the light wave traveling direction conversion layer. Wireless power supply. 上記発電部は光電変換用の半導体層を有する請求項3〜8のいずれか一項記載の光無線給電装置。 The optical wireless power feeding device according to any one of claims 3 to 8, wherein the power generation unit has a semiconductor layer for photoelectric conversion. 上記半導体層の互いに対向する第1の面および第2の面にそれぞれ第1の電極および第2の電極が設けられていることを特徴とする請求項9記載の光無線給電装置。 The optical wireless power feeding device according to claim 9, wherein a first electrode and a second electrode are provided on the first surface and the second surface of the semiconductor layer facing each other, respectively. 上記半導体層はp型半導体層とn型半導体層とからなるpn接合であることを特徴とする請求項10記載の光無線給電装置。 The optical wireless power feeding device according to claim 10, wherein the semiconductor layer is a pn junction composed of a p-type semiconductor layer and an n-type semiconductor layer. 上記半導体層のバンドギャップまたはHOMO−LUMOギャップが光の進行方向に順に段階的および/または連続的に減少するように構成されていることを特徴とする請求項11記載の光無線給電装置。 The optical wireless power feeding device according to claim 11, wherein the band gap or HOMO-LUMO gap of the semiconductor layer is configured to decrease stepwise and / or continuously in the traveling direction of light. 上記半導体層はバンドギャップまたはHOMO−LUMOギャップが光の進行方向に順に段階的に減少した複数の領域からなり、上記第1の電極および上記第2の電極のうちの少なくとも一方は各領域間で互いに分離して設けられていることを特徴とする請求項12記載の光無線給電装置。 The semiconductor layer is composed of a plurality of regions in which the band gap or the HOMO-LUMO gap gradually decreases in the traveling direction of light, and at least one of the first electrode and the second electrode is between the regions. The optical wireless power feeding device according to claim 12, wherein the optical wireless power feeding devices are provided separately from each other. 移動体と、
上記移動体に一体に設けられ、上記移動体に給電を行う光無線給電装置とを有し、
上記光無線給電装置が、
複数の反射鏡が透明層を介して一方向に周期的に配置され、一方の主面が光入射面を構成し、他方の主面が光出射面を構成する平板状の反射鏡アレイと、
上記反射鏡アレイの上記他方の主面に設けられ、外部より上記反射鏡アレイの上記一方の主面に入射して上記反射鏡で反射されることにより入射した光が一方向に導波されるように構成された非対称面状光導波路と、
上記非対称面状光導波路の光出射側の端部に設けられた光電変換素子からなる発電部と、
を有する光無線給電移動体。
With a mobile body
It has an optical wireless power feeding device that is integrally provided with the moving body and supplies power to the moving body.
The above optical wireless power supply device
A flat-plate reflector array in which a plurality of reflectors are periodically arranged in one direction via a transparent layer, one main surface constitutes a light incident surface and the other main surface constitutes a light emitting surface.
The incident light is waveguideed in one direction by being provided on the other main surface of the reflector array and incident on the one main surface of the reflector array from the outside and reflected by the reflector. With an asymmetric specular optical waveguide configured as
A power generation unit composed of a photoelectric conversion element provided at the end of the asymmetric surface optical waveguide on the light emitting side,
Optical wireless power supply mobile body having.
上記移動体は小型無人機、無人航空機、航空機、人工衛星、無人船舶、船舶、水中移動体、無人自動車または自動車である請求項14記載の光無線給電移動体。 The optical wireless power supply moving body according to claim 14, wherein the moving body is a small unmanned aerial vehicle, an unmanned aerial vehicle, an aircraft, an artificial satellite, an unmanned ship, a ship, an underwater moving body, an unmanned automobile or an automobile.
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