JP7101437B1 - 光給電コンバータ - Google Patents
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Abstract
【課題】強い光の入射による受光素子の光電変換効率の低下を抑制すると共に、出力先に合わせた電圧、電流で出力されるように容易に構成することができる小型の光給電コンバータを提供すること。【解決手段】光給電コンバータ(1)は、光ファイバケーブル(OC)を介して入射する光を電力に変換する複数の受光素子(6a～6d)と、光ファイバケーブル(OC)から入射する光の分波機能を備えた光導波路素子(5)を有し、光導波路素子(5)の複数の出口(4a～4d)に対応するように配設された複数の受光素子(6a～6d)がアノード電極(10)及びカソード電極(11)を夫々有し、複数の受光素子(6a～6d)のアノード電極(10)及びカソード電極(11)に夫々接続された複数の導電性部材(15,16,17)によって、複数の受光素子(6a～6d)が直列、並列又は直並列に接続されて形成された。
Description
本発明は、光ファイバケーブルを介して入力した光を光電変換によって電力に変換して出力する光給電コンバータに関する。
給電設備がない遠隔地、給電による微弱な電磁界がノイズとなる環境、防爆を必要とする環境、電気的相互影響がある超高電圧設備内等、特殊な環境では電源ケーブルを介して電子機器類を作動させる電力を供給できない場合がある。そのため、電子機器類の傍まで光ファイバケーブルを介して光を送り、この光を光電変換して電力を供給する光給電コンバータが利用されている。
光給電コンバータへの光入力に使用される一般的なシングルモード光ファイバケーブルは、光が伝搬するコアの直径が１０μｍ程度と小さい。そのため、例えば１Ｗを超える大きい光入力に対して、ファイバヒューズ現象によってコアが損傷する場合があり、光入力を大きさには限界がある。そのため、例えば特許文献１のように、複数の光ファイバケーブルを介して光を入力することにより、光入力を大きくして出力を大きくすることができる光給電コンバータが知られている。
一方、光給電コンバータに要求される出力電圧、出力電流は、出力先の電子機器類によって異なる場合が多い。そのため、例えば特許文献２のように、光給電コンバータの出力電圧を高くするために、アレイ状に分割された受光素子を直列に接続した光給電コンバータが知られている。
しかし、光入力が大きくなると、光電変換する受光素子は、例えば発熱の影響によって光電変換効率が制限されてしまい、光給電コンバータの出力を大きくできない場合がある。そのため、特許文献１のような複数の光ファイバケーブルに対応するように、特許文献２のように複数の受光素子を装備した光給電コンバータを形成することが考えられる。しかし、複数の光ファイバケーブルを敷設し、これら複数の光ファイバケーブルの出力端を夫々対応する受光素子に合わせて固定する必要があるので容易ではない。
また、光給電コンバータは、出力先となる機器内に収容できるように小型化することが要求されている。しかし、光ファイバケーブルは、コアの周囲を覆うクラッドとクラッドの周囲を覆うシースを有し、さらに破損し難くするためにシースの周囲を保護材で覆うので、ある程度の太さがある。そのため、複数の光ファイバケーブルを接続する場合には、複数の光ファイバケーブルを並べることができるように複数の受光素子を離隔させて配置することになるので、光給電コンバータを小型化することは容易ではない。そして、出力先に応じた出力電圧、出力電流にするために、電圧、電流の変換装置が必要な場合には一層小型化が困難になる。
本発明の目的は、強い光の入射による受光素子の光電変換効率の低下を抑制すると共に、出力先に合わせた電圧、電流で出力されるように容易に構成することができる小型の光給電コンバータを提供することである。
請求項１の発明の光給電コンバータは、光ファイバケーブルを介して入射する光を電力に変換する複数の受光素子を有する光給電コンバータにおいて、前記光ファイバケーブルから入射する光を分岐された複数の光導波路に分配する機能を備えた光導波路素子と、前記光導波路素子の複数の光導波路に対応するように配設され且つアノード電極及びカソード電極を夫々有する複数の受光素子とを備え、前記複数の受光素子の前記アノード電極及び前記カソード電極に夫々接続された複数の導電性部材によって、前記複数の受光素子が直列、並列又は直並列に接続され、前記光導波路素子と前記複数の受光素子とが夫々主面側に一体的に形成された１対の半導体基板を有し、前記光導波路素子の光の入口同士が重なるように且つ複数の受光素子同士が重なるように、前記１対の半導体基板の前記主面側同士を対向状に結合させたことを特徴としている。
上記構成によれば、光給電コンバータは、光ファイバケーブルを介して入射する光を光導波路素子によって分岐された複数の光導波路に分配して複数の受光素子に入射させるので、強い光の入射による受光素子の光電変換効率の低下を抑制することができる。そして、この光給電コンバータは、複数の導電性部材によって複数の受光素子が直列、並列又は直並列に接続されるので、出力先に合わせた電圧、電流が出力されるように容易に形成することができる。また、光導波路素子によって光を分配するので光ファイバケーブルの接続数を少なくすることができ、複数の受光素子を複数の導電性部材で接続するので電圧、電流の変換装置が不要であるため、光給電コンバータを小型化することができる。
そして、前記光導波路素子と前記複数の受光素子とが主面側に一体的に形成された半導体基板を有し、光導波路素子の光導波路同士が重なるように且つ複数の受光素子同士が重なるように、前記１対の半導体基板の前記主面側同士を対向状に結合させる ため、半導体基板に光導波路素子と複数の受光素子が、対応する光導波路素子の光導波路 に位置合わせされ一体的に形成されているので、光導波路素子と受光素子の位置ずれが発生せず、入力された光を受光素子に入射させることができる。
さらに、光給電コンバータのサイズの増加を抑制しながら１本の光ファイバケーブルに対応する受光素子の数を増加させることができる。
さらに、光給電コンバータのサイズの増加を抑制しながら１本の光ファイバケーブルに対応する受光素子の数を増加させることができる。
請求項２の発明の光給電コンバータは、請求項１の発明において、前記光導波路素子と前記複数の受光素子は、クラッド層上にコア層を有し、前記複数の受光素子は、前記コア層の上に光吸収層と半導体層を夫々有することを特徴としている。
上記構成によれば、光導波路素子の複数の出口に対応する複数の受光素子を位置ずれが発生しないように容易に配設することができ、入力された光を受光素子に入射させることができる。
上記構成によれば、光導波路素子の複数の出口に対応する複数の受光素子を位置ずれが発生しないように容易に配設することができ、入力された光を受光素子に入射させることができる。
本発明の光給電コンバータによれば、強い光の入射による受光素子の光電変換効率の低下を抑制すると共に、出力先に合わせた電圧、電流で出力されるように容易に構成することができる。
以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。
図１～図４に示すように、光給電コンバータ１は、半導体基板２の主面２ａ側に、１つの入口３と複数（例えば４つ）の出口４ａ～４ｄを有する光導波路素子５と、光導波路素子５の複数の出口４ａ～４ｄに対応するように配設された複数の受光素子６ａ～６ｄを有する。半導体基板２は、例えばＩＩＩ－Ｖ属半導体の半絶縁性のＩｎＰ基板である。
光導波路素子５は光の分配機能を有し、入口３から入射する光を途中で２つに均等に分波し、この分けられた光を夫々２つに均等に分配するように、光導波路が２段階で対称に分岐するように形成されている。この光導波路素子５は、半導体基板２の主面２ａに形成されたクラッド層７上にコア層８が形成され、このコア層８が入口３から２段階で分岐されて複数の出口４ａ～４ｄに連なる光導波路になっている。クラッド層７は、例えばｎ型半導体のｎ－ＩｎＰ層である。コア層８は、例えばＩｎＧａＡｓＰ層である。
コア層８に接するクラッド層７及び空気は、コア層８よりも屈折率が小さい。そのため、入口３からコア層８（光導波路）に入射させた光はクラッド層７又は空気との界面で全反射しながら進行する。クラッド層７の厚さは、例えば２μｍである。光導波路であるコア層８は、光の進行方向と直交する断面において、厚さが例えば３μｍ、幅が例えば３μｍである。
出口４ａ～４ｄに対応するように、受光素子６ａ～６ｄが配設されている。受光素子６ａ～６ｄは、ｎ型半導体のクラッド層７上のコア層８の上に、光吸収層９とｐ型半導体層１０（半導体層）を有する。このｐ型半導体層１０と、ｎ型半導体のクラッド層７とで光吸収層９とコア層８を挟む構造によって、ＰＩＮ型フォトダイオードである受光素子６ａ～６ｄが形成されている。光吸収層９は例えばＩｎＧａＡｓ層であり、その厚さと幅が夫々例えば３μｍ、光の進行方向に沿う長さが例えば１５μｍである。ｐ型半導体層１０は例えばｐ－ＩｎＰ層であり、その厚さが例えば１μｍ、幅と長さが光吸収層９と同等である。
例えばシングルモードの光ファイバケーブルＯＣの出射端から光導波路素子５の入口３に矢印Ｌ１で示すように光が入力される。この光は、空気又はクラッド層７との界面で全反射しながらコア層８を進行して、矢印Ｌ２で示すように光導波路素子５の例えば出口４ａに到達し、受光素子６ａに入射する。光導波路素子５は光を均等に分けるので、他の出口４ｂ～４ｄにも光が到達し、対応する受光素子６ｂ～６ｄに入射する。
受光素子６ａ～６ｄは、コア層８と光吸収層９との界面において、コア層８を進行する光が波動性によって光吸収層９内に光の波長程度侵入するエバネッセント光を、電力（光電流）に変換する。尚、入力される光は、波長が例えば１．３μｍ程度の赤外光であり、一定の強さで連続的に入力され、受光素子６ａ～６ｄで一定の直流電力に変換される。
ｐ型半導体層１０上には、このｐ型半導体層１０に接続するアノード電極１１（例えばチタン、白金、金を含む金属膜）が形成されている。ｎ型半導体層であるクラッド層７には、このｎ型半導体層に接続するカソード電極１２（例えば金、ゲルマニウム、ニッケル、チタンを含む金属膜）が形成されている。
クラッド層７は、光導波路素子５から複数の受光素子６ａ～６ｄまでつながっているが、複数の受光素子６ａ～６ｄを電気的に分離するために、これら受光素子６ａ～６ｄの間でクラッド層７が除去されている。半導体基板２の主面２ａには、光給電コンバータ１からの出力端子として、受光素子６ａのアノード電極１１に接続されたアノード端子部１３と、受光素子６ｄのカソード電極１２に接続されたカソード端子部１４が形成されている。アノード端子部１３及びカソード端子部１４は、例えばチタン、白金、金を含む金属膜である。
複数の受光素子６ａ～６ｄは、例えば金ワイヤのような複数の導電性部材１５によって直列に接続されている。そして、直列接続された複数の受光素子６ａ～６ｄの一端の受光素子６ａのアノード電極１１が導電性部材１６によってアノード端子部１３に接続され、他端の受光素子６ｄのカソード電極１２が導電性部材１７によってカソード端子部１４に接続されている。尚、導電性部材１５，１６，１７の接続態様によって、アノード端子部１３とカソード端子部１４を入れ替えることができる。
複数の受光素子６ａ～６ｄが複数の導電性部材１５によって接続されるので、図１のように直列に接続するだけでなく、図５のように並列に接続することもでき、図６のように直列接続と並列接続を組み合わせて直並列に接続することもできる。従って、光給電コンバータ１が接続先に応じた電圧、電流で電力を供給するように、複数の受光素子６ａ～６ｄを接続することができる。
次に、光給電コンバータ１の形成方法について説明する。
図７のように、ウェハ状の半導体基板２の主面２ａ側に、例えばエピタキシャル成長法のような公知の成膜方法によって、クラッド層７（ｎ型半導体層）、コア層８、光吸収層９、ｐ型半導体層１０を形成し、例えば公知のフォトリソグラフィ法によってフォトダイオード形成用のエッチングマスク２１を形成する（フォトダイオード形成用のエッチングマスク形成工程）。そして、例えばＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）のような公知のエッチング方法によって、ｐ型半導体層１０と光吸収層９をエッチングし、エッチングマスク２１を除去する。
図７のように、ウェハ状の半導体基板２の主面２ａ側に、例えばエピタキシャル成長法のような公知の成膜方法によって、クラッド層７（ｎ型半導体層）、コア層８、光吸収層９、ｐ型半導体層１０を形成し、例えば公知のフォトリソグラフィ法によってフォトダイオード形成用のエッチングマスク２１を形成する（フォトダイオード形成用のエッチングマスク形成工程）。そして、例えばＲＩＥ法（反応性イオンエッチング法）のような公知のエッチング方法によって、ｐ型半導体層１０と光吸収層９をエッチングし、エッチングマスク２１を除去する。
次に図８のように、公知のフォトリソグラフィ法によって光導波路形成用のエッチングマスク２２を形成する（光導波路形成用のエッチングマスク形成工程）。そして例えばＲＩＥ法のような公知のエッチング方法によって、コア層８をエッチングして光導波路素子５を形成し、エッチングマスク２２を除去する。
次に図９のように、受光素子分離用のエッチングマスク２３を公知のフォトリソグラフィ法によって形成する（受光素子分離用のエッチングマスク形成工程）。そして、例えばＲＩＥ法のような公知のエッチング方法によって、クラッド層７をエッチングして半導体基板２の主面２ａを露出させ、エッチングマスク２３を除去する。このとき、複数の受光素子６ａ～６ｄの間のクラッド層７が除去される（図１、図３参照）。
最後に、例えば蒸着法によって、アノード電極１１、カソード電極１２、アノード端子部１３、カソード端子部１４を形成するための金属膜を夫々所定の領域に選択的に堆積し、劈開又は切断により個片化して平面視矩形の光給電コンバータ１を形成し、導電性部材１５，１６，１７による接続を施す（例えば図１参照）。光導波路素子５の入口３には、例えばシリコン窒化膜のような反射防止膜が形成されることが好ましい。尚、図示を省略するが、この光給電コンバータ１は、光導波路素子５の入口３に対応する位置に光ファイバケーブルＯＣの出射端を固定する固定機構と、アノード端子部１３、カソード端子部１４から外部に電力を供給するための出力端子を備えたケースに収容される。
図１０に示すように、光導波路素子５はＭＭＩ（Multi-Mode Interference）型導波路素子であってもよい。また、例えば図１１、図１２に示すように、光導波路素子２５の出口２４ａ～２４ｄにおいて、矢印Ｌ２で示すコア層２８（ＩｎＧａＡｓＰ層）の光の進行方向端部に光吸収層２９（ＩｎＧａＡｓ層）が接続された受光素子２６ａ～２６ｄが形成されてもよい。ここでは、コア層２８を上下に挟むクラッド層２７ａ，２７ｂとしてノンドープのＩｎＰ層を有する光導波路素子２５が形成されている。また、ｎ型半導体層３０（ｎ－ＩｎＰ層）とｐ型半導体層３１（ｐ－ＩｎＰ層）とで光吸収層２９（ＩｎＧａＡｓ層）を挟んだＰＩＮ型フォトダイオードが受光素子２６ａ～２６ｄになっている。光がコア層２８から光吸収層２９に直接入射するので、光電変換効率の向上が期待できる。
図１３、図１４に示すように、例えば図１の光給電コンバータ１を第１光給電コンバータ１ａとする。そして、複数の受光素子６ａ～６ｄの接続が、第１光給電コンバータ１ａと鏡像関係になるように複数の導電性部材１５，１６，１７により接続した光給電コンバータ１を第２光給電コンバータ１ｂとする。これら第１、第２光給電コンバータ１ａ，１ｂの光導波路素子５の入口３同士が重なるように且つ第１、第２光給電コンバータ１ａ，１ｂの対応する受光素子６ａ～６ｄが重なるように、双方の半導体基板２の主面２ａ側を対向状に結合させる。
このように１対の半導体基板２を結合することにより、サイズの増加を抑制しながら１本の光ファイバケーブルＯＣに対応する受光素子の数を増加させた光給電コンバータ４１を形成することができる。また、導電性部材１５，１６，１７によって第１、第２光給電コンバータ１ａ，１ｂを作り分けることができるので、光給電コンバータ４１を容易に形成することができる。
アノード端子部１３同士とカソード端子部１４同士は、例えば導電性ペースト４２によって夫々接続、結合され、クラッド層７同士が例えば接着剤４３によって結合される。また、図示を省略するが、例えば第１光給電コンバータ１ａの受光素子６ａのアノード電極１１と、これに対応する第２光給電コンバータ１ｂの受光素子６ｄのアノード電極１１とが導電性ペーストによって接続される。他のアノード電極同士も同様である。アノード端子部１３同士及びカソード端子部１４同士の結合時に、夫々リードフレームを挟むようにして外部出力端子としてもよい。光給電コンバータ４１は、第１、第２光給電コンバータ１ａ，１ｂが並列に接続されることになるので、出力電圧が維持されたまま出力電流を増加させることができる。
複数の受光素子６ａ～６ｄは光導波路素子５よりも主面２ａから突出しているので、第１、第２光給電コンバータ１ａ，１ｂの光導波路素子５同士は入口３以外では離隔している。１対の半導体基板２がスペーサ部材を介して結合された光給電コンバータ４１が形成されてもよい。
上記光給電コンバータ１，４１の作用、効果について説明する。
光給電コンバータ１は、光ファイバケーブルＯＣを介して入射する光を光導波路素子５によって分配して複数の受光素子６ａ～６ｄに入射させるので、強い光の入射による受光素子６ａ～６ｄの光電変換効率の低下を抑制することができる。そして、複数の導電性部材１５、１６，１７によって複数の受光素子６ａ～６ｄが直列、並列又は直並列に接続されるので、出力先に合わせた電圧、電流が出力されるように光給電コンバータ１を容易に形成することができる。また、光導波路素子５によって光を分配するので光ファイバケーブルＯＣの接続数を少なくすることができ、複数の受光素子６ａ～６ｄを複数の導電性部材１５で接続するので電圧、電流の変換装置が不要であるため、光給電コンバータ１を小型化することができる。
光給電コンバータ１は、光ファイバケーブルＯＣを介して入射する光を光導波路素子５によって分配して複数の受光素子６ａ～６ｄに入射させるので、強い光の入射による受光素子６ａ～６ｄの光電変換効率の低下を抑制することができる。そして、複数の導電性部材１５、１６，１７によって複数の受光素子６ａ～６ｄが直列、並列又は直並列に接続されるので、出力先に合わせた電圧、電流が出力されるように光給電コンバータ１を容易に形成することができる。また、光導波路素子５によって光を分配するので光ファイバケーブルＯＣの接続数を少なくすることができ、複数の受光素子６ａ～６ｄを複数の導電性部材１５で接続するので電圧、電流の変換装置が不要であるため、光給電コンバータ１を小型化することができる。
その上、半導体基板２に光導波路素子５と複数の受光素子６ａ～６ｄが、対応する光導波路素子５の出口４ａ～４ｄに位置合わせされ一体的に形成されているので、光導波路素子５と受光素子６ａ～６ｄの位置ずれが発生せず、入力された光を受光素子６ａ～６ｄに入射させることができる。
光導波路素子５と複数の受光素子６ａ～６ｄは、クラッド層７上にコア層８を夫々有し、複数の受光素子６ａ～６ｄは、コア層８の上に光吸収層９と半導体層としてｐ型半導体層１０を有する。従って、光導波路素子５の複数の出口４ａ～４ｄに対応する複数の受光素子６ａ～６ｄを位置ずれが発生しないように容易に配設することができ、入力された光を受光素子６ａ～６ｄに入射させることができる。
また、１対の光給電コンバータ１を組み合わせた光給電コンバータ４１は、光導波路素子５の光の入口３同士が重なるように且つ複数の受光素子６ａ～６ｄ同士が重なるように、１対の半導体基板２の主面２ａ側同士を対向状に結合させている。従って、光給電コンバータ４１のサイズの増加を抑制して小型に維持しながら、１本の光ファイバケーブルＯＣに対応する受光素子６ａ～６ｄの数を増加させることができる。
光導波路素子５は、出口の数が４つに限定されるものではなく、例えば２つ又は８つ以上の出口を有していてもよい。ＩＶ族半導体であるＳｉ基板上に、例えばクラッド層がＳｉＯ２層であり、コア層がＳｉ層である光導波路素子と、受光素子とを一体的に形成して光給電コンバータを形成することもできる。その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、上記実施形態に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はその種の変更形態も包含するものである。
１ ：光給電コンバータ
１ａ ：第１光給電コンバータ
１ｂ ：第２光給電コンバータ
２ ：半導体基板
２ａ ：主面
３ ：入口
４ａ～４ｄ：出口
５ ：光導波路素子
６ａ～６ｄ：受光素子
７ ：クラッド層
８ ：コア層
９ ：光吸収層
１０ ：ｐ型半導体層（半導体層）
１１ ：アノード電極
１２ ：カソード電極
１３ ：アノード端子部
１４ ：カソード端子部
１５，１６，１７：導電性部材
２１，２２，２３：エッチングマスク
２５ ：光導波路素子
２６ ：受光素子
２７ａ，２７ｂ：クラッド層
２８ ：コア層
２９ ：光吸収層
３０ ：ｎ型半導体層
３１ ：ｐ型半導体層
４１ ：光給電コンバータ
ＯＣ ：光ファイバケーブル
１ａ ：第１光給電コンバータ
１ｂ ：第２光給電コンバータ
２ ：半導体基板
２ａ ：主面
３ ：入口
４ａ～４ｄ：出口
５ ：光導波路素子
６ａ～６ｄ：受光素子
７ ：クラッド層
８ ：コア層
９ ：光吸収層
１０ ：ｐ型半導体層（半導体層）
１１ ：アノード電極
１２ ：カソード電極
１３ ：アノード端子部
１４ ：カソード端子部
１５，１６，１７：導電性部材
２１，２２，２３：エッチングマスク
２５ ：光導波路素子
２６ ：受光素子
２７ａ，２７ｂ：クラッド層
２８ ：コア層
２９ ：光吸収層
３０ ：ｎ型半導体層
３１ ：ｐ型半導体層
４１ ：光給電コンバータ
ＯＣ ：光ファイバケーブル
Claims (2)
- 光ファイバケーブルを介して入射する光を電力に変換する複数の受光素子を有する光給電コンバータにおいて、
前記光ファイバケーブルから入射する光を分岐された複数の光導波路に分配する機能を備えた光導波路素子と、前記光導波路素子の複数の光導波路に対応するように配設され且つアノード電極及びカソード電極を夫々有する複数の受光素子とを備え、
前記複数の受光素子の前記アノード電極及び前記カソード電極に夫々接続された複数の導電性部材によって、前記複数の受光素子が直列、並列又は直並列に接続され、
前記光導波路素子と前記複数の受光素子とが夫々主面側に一体的に形成された１対の半導体基板を有し、
前記光導波路素子の光の入口同士が重なるように且つ複数の受光素子同士が重なるように、前記１対の半導体基板の前記主面側同士を対向状に結合させた ことを特徴とする光給電コンバータ。 - 前記光導波路素子と前記複数の受光素子は、クラッド層上にコア層を有し、
前記複数の受光素子は、前記コア層の上に光吸収層と半導体層を夫々有することを特徴とする請求項１ に記載の光給電コンバータ。
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|---|---|---|---|
| PCT/JP2021/045847 WO2023112090A1 (ja) | 2021-12-13 | 2021-12-13 | 光給電コンバータ |
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| JPWO2023112090A5 JPWO2023112090A5 (ja) | 2023-11-15 |
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-
2021
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