JP5515278B2 - 光給電装置 - Google Patents
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また非特許文献2では、マイクロマシン(MEMS:Micro Electro Mechanical Systemsの略)スイッチを用いた光抑制器が報告されており、MEMSシャッタとフォトボル素子を組み合わせた無電源光ブレーカが提案されている。
また非特許文献3では、MEMSミラーとフォトボルの組み合わせによる小型内視鏡が提案されており、血管内壁の多次元での細胞観察が報告されている。
通常の光電変換素子は単純なPIN型半導体構造を有しており、入力光によりi型半導体で構成された光吸収層で発生した光キャリアがp、n型半導体層にドリフトすることにより生じる分極を利用して出力電圧を得ている。この時の出力電圧限界は、光吸収層の半導体バンドギャップエネルギーEgで規定され、飽和電圧と称される。
しかしながら、InGaAs層のEgより推測される飽和電圧は0.7V程度であり、一般的なシステムを駆動する電圧としては十分でないといえる。
H. Miyakawa, et al., "Design approaches to power-over-optical local-area-network systems", APPLIED OPTICS , Vol. 43, No. 6, pp. 1379-1389, 2004 三玉他、「MEMSを用いたサージ光抑制器の開発」、2005年電子情報通信学会主催総合大会、C-3-113 Changho Chong, et. al., "Optically Modulated MEMS Scanning Endoscope", IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 18, No. 1, pp. 133-135, 2006
この光電変換素子は、波長λ1の光808を吸収するように設計されたバンドギャップエネルギーEg1を有する第1の光吸収層802と第2の光吸収層805において光キャリアを発生し、電力として取り出すようになっている。ここで、第1及び第2の光吸収層における波長λ1の光キャリア分布は809、810のようになる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態1について説明する。
図2は発明の実施の形態1にかかる光電変換素子を説明するための図である。
図2に示す光電変換素子は、半導体基板(基板)208上にPIN接合が2つ以上積層されている。第1のPIN接合は、p型半導体層201と第1の光吸収層(i型半導体層)202とn型半導体層203とを有する。また、第2のPIN接合は、p型半導体層204と第2の光吸収層(i型半導体層)205とn型半導体層206とを有する。同様に、第nのPIN接合は、p型半導体層213と第nの光吸収層(i型半導体層)207とn型半導体層214とを有する。各PIN接合は直列に接続されており、第1のPIN接合と第nのPIN接合には、各PIN接合で発生した電力を取り出すために、電極が設けられている。
入射する光209は2つ以上の波長を有しており、図2の210は波長λ1による光キャリア分布を示し、211は波長λ2による光キャリア分布を示し、212は波長λnによる光キャリア分布を示している。
(1.23/λ1)>Eg1>(1.23/λ2)>Eg2>・・・>(1.23/λn)>Egn ・・・式1
そして、光が吸収されることにより発生した光キャリアは分極し電圧を発生し、更に電極に収集されて電流として寄与する。
以下、本実施形態にかかる光給電装置の方式を多波長給電方式、単一の波長を有する光を入射する方式を1波長給電方式と略称する。
尚、1波長給電方式では、例えば図8、図9に示すような、全て同じバンドギャップエネルギーを有する光吸収層で構成された光電変換素子を用いている。
一方、変換効率に関しては、図4(b)に示すように、1波長給電方式では接合間での電流損失が多く、接合数が増えるに従いトータルでの変換効率が減少していく。
これに対し多波長給電方式では、光電流分布が等分されるように制御が可能であるため、多接合においても電流損失が抑制でき変換効率の劣化も抑制できる。
以上より、本実施形態にかかる光電変換素子およびこれを用いた光給電装置では、変換効率を劣化させることなく、電圧を増大することが可能となる。
基板上に有機金属気相成長法(MOCVD法)などの一般的な成膜技術を用いて、n型半導体層(例えば、n−InP)、光吸収層(i型半導体層。例えば、InGaAsPやInGaAs)、p型半導体層(例えば、p−InP)を順に形成する。このPIN接合は、光が入射する側から最も離れたところにあることから、第3のPIN接合となる。
更に、第2のPIN接合のp型半導体層上に、第2、第3のPIN接合と同様に第1のPIN接合を形成する。このときも、第1のPIN接合の光吸収層のバンドギャップエネルギーは、第2のPIN接合の光吸収層のバンドギャップエネルギーよりも大きくなるようにする。
ここで、n型電極は基板上に第3のPIN接合を積層する前に形成してもよい。
また、n型半導体基板を第3のPIN接合のn型半導体層として用いてもよく、この場合は、例えば基板の裏側(PIN接合が形成されない側)にn型電極を形成してもよい。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態2について説明する。
この発明の実施の形態2にかかる光電変換素子は、各PIN接合が基板の面内方向(基板面と水平な方向)であって光が伝播する方向に配置されていることを特徴としている。
図3に示す光電変換素子は、半導体基板(基板)300上に、PIN接合からなる接合構造が基板の面内方向であって光308の伝播する方向に2つ以上配置されている。
第1のPIN接合は、p型半導体層301と第1の光吸収層(i型半導体層)302とn型半導体層307を有する。また、第2のPIN接合は、p型半導体層303と第2の光吸収層(i型半導体層)304とn型半導体層307を有する。同様に、第nのPIN接合は、p型半導体層305と第nの光吸収層(i型半導体層)306とn型半導体層307を有する。
(1.23/λ1)>Eg1>(1.23/λ2)>Eg2>・・・>(1.23/λn)>Egn ・・・式2
すなわち、図1において、送信側には2つ以上の波長λ1、λ2、・・・、λn(μm)を有する光を発生する光源101を配置する。ここで、光源101には、例えばレーザーダイオード(LD)を用いる。光源101で発生した光は合波して光ファイバー102を伝送して、受信側にある本実施形態にかかる光電変換素子103に結合する。なお、図1では、光源101で発生した光を光ファイバーを用いて伝送しているが、光伝送についてはこの限りではなく、例えば光導波路や空間伝播により光を伝送してもよい。
すなわち、発生電圧に関しては、多波長給電方式および1波長給電方式ともに、PIN接合が複数接合された多接合構造をとるため、両方式で増大する。
一方、変換効率に関しては、1波長給電方式では接合間での電流損失が多く、接合数が増えるに従いトータルでの変換効率が減少していく。
これに対し多波長給電方式では、光電流分布が等分されるように制御が可能であるため、多接合においても電流損失が抑制でき変換効率の劣化も抑制できる。
以上より、本実施形態にかかる光電変換素子およびこれを用いた光給電装置では、変換効率を劣化させることなく、電圧を増大することが可能となる。
次に、本発明の実施例1について図5を用いて説明する。
本発明の実施例1にかかる光電変換素子は発明の実施の形態1に対応しており、PIN接合が互いに積層されている構造を有する。図5の光電変換素子は、三波長を送電する光給電装置に用いることができる。以下、詳細に説明する。
各PIN接合を形成する半導体は、例えば、p型半導体層(501、504、507)がp−InP層、光吸収層(502、505、508)がi−InGaAsP層、n型半導体層(503、506、509)がn−InP層で構成される。また、n型半導体層509は基板としても用いられる。
次に、本発明の実施例2について図6を用いて説明する。
本発明の実施例2にかかる光電変換素子は発明の実施の形態2に対応しており、PIN接合が基板の面内方向であって光が伝播する方向に配置されている構造を有する。図6の光電変換素子は、三波長を送電する光給電装置に用いることができる。以下、詳細に説明する。
実施例2の光電変換素子の第1のPIN接合は、p型半導体層601と第1の光吸収層(i型半導体層)602とn型半導体層(半導体バッファ層)618とを有する。また、第2のPIN接合は、p型半導体層603と第2の光吸収層(i型半導体層)604とn型半導体層(半導体バッファ層)618とを有する。また、第3のPIN接合は、p型半導体層605と第3の光吸収層(i型半導体層)606とn型半導体層(半導体バッファ層)618とを有する。
光吸収層(602、604、606)とn型半導体層(半導体バッファ層)618の間には、i−InGaAsPで構成された半導体光導波層607を有する。
半導体基板608は半絶縁性である。
また、3つの波長を有する光(送信光)609は、第1のPIN接合側から半導体光導波層607へ導入される。
ここで、入射した各波長の光は、発明の実施の形態2の式2に従い、第1の光吸収層でλ1=1.3μmの光が、第2の光吸収層でλ2=1.4μmの光が、そして、第3の光吸収層でλ3=1.5μmの光が、エバネッセント結合が生じることで支配的に吸収され、光キャリアが発生し電力として寄与する。
このとき、半導体光導波層607は、バンドギャップエネルギーEg=1.13eVであるので、各波長(λ1、λ2、λ3)の光は吸収されることなく透過する。
102 光ファイバー
103 光電変換素子
201 p型半導体層
202 第1の光吸収層(i型半導体層)
203 n型半導体層
204 p型半導体層
205 第2の光吸収層(i型半導体層)
206 n型半導体層
207 第nの光吸収層207
208 半導体基板(基板)
209 光
210 波長λ1の光キャリア分布
211 波長λ2の光キャリア分布
212 波長λnの光キャリア分布
Claims (1)
- レーザーダイオードを使用して2つ以上の波長を有する光を発生させる光源と、
前記光源からの光を受光する光電変換素子を備え、
前記光電変換素子は、光吸収層のバンドギャップエネルギーが異なり、互いに積層されている2つ以上のPIN接合を有し、
前記2つ以上のPIN接合は、前記光源からの光が入射する側から前記バンドギャップエネルギーが小さくなる順に配置され、且つ、各々の前記PIN接合が直列に接続されており、前記2つ以上のPIN接合の光吸収層はAlGaAs、InGaAsP、あるいはInAlGaAsで構成され、当該光吸収層のバンドギャップエネルギーを前記光源からの光が入射する側からそれぞれEg1、Eg2、・・・、Egn(eV)とし、前記光電変換素子に入射する前記光源の光の波長をλ1、λ2、・・・、λn(μm)とした場合に
(1.23/λ1)>Eg1>(1.23/λ2)>Eg2>・・・>(1.23/λn)>Egn
の関係が成立し、
前記光源の光の各波長におけるパワーは、前記光電変換素子が備える前記各PIN接合での電流が一致するように独立に制御される、
光給電装置。
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