JP7178152B1

JP7178152B1 - 光給電コンバータ

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Publication number: JP7178152B1
Application number: JP2022560211A
Authority: JP
Inventors: 尚友磯村; 悦司大村
Original assignee: Kyoto Semiconductor Co Ltd
Current assignee: Kyoto Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2022-06-30
Filing date: 2022-06-30
Publication date: 2022-11-25
Anticipated expiration: 2042-06-30
Also published as: WO2024004151A1

Abstract

【課題】円形受光部がその周方向に等分されて直列に接続された複数のフォトダイオードによって形成された半導体受光素子を有する光給電コンバータの出力を向上させること。【解決手段】光給電コンバータ(1)は、光ファイバケーブルから入力される光(L1)を反射する反射鏡(6)と、その反射光から光電流を生成する半導体受光素子(10)を有し、半導体受光素子(10)は光電流を生成する円形受光部(12)とその中心(C)を通る貫通孔(10c)を備え、円形受光部(12)は放射状に等分され且つ直列接続された複数のフォトダイオード(14)を備え、反射鏡(6)は円錐面(6a)を反射面として頂点を円形受光部(12)に向けてその対称軸線が円形受光部(12)に垂直に中心(C)を通るように配設され、貫通孔(10c)を介して対称軸線に光軸(OA)を一致させて入力される光(L1)が、反射鏡(6)により円環状の光(L2)に変換されて複数のフォトダイオード(14)に均等に入射するように構成した。

Description

本発明は、光ファイバケーブルを介して入力される光を電力に変換して給電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送られる光を受けて、光電変換によって光電流を生成して給電する光給電コンバータが利用されている。

光給電コンバータは光電変換用の半導体受光素子を有する。この半導体受光素子の出力電圧は、通常１Ｖ未満である。光給電コンバータからの給電を受ける機器が高い入力電圧を必要とする場合には、出力電圧を高くした光給電コンバータが利用される。例えば特許文献１のように、半導体受光素子の円形受光部をアイソレーション溝によって複数の扇形のフォトダイオードに分割し、これらを直列に接続することによって出力電圧を高くすることが可能である。

分割されて直列に接続された複数のフォトダイオードによって構成された半導体受光素子の出力電圧は、フォトダイオードが多いほど高くなる。一方、その出力電流は、分割されない場合よりも小さくなり、分割数が多いほど小さくなる。その上、この出力電流は、光電変換により生成される光電流が最小のフォトダイオードによって制限される。それ故、複数のフォトダイオードの光電流を互いに等しくするために、これら複数のフォトダイオードが同形状且つ同面積となるように円形受光部が等分される。

米国特許第５３４２４５１号明細書

特許文献１では、円形受光部を同形状且つ同面積で分割するために、一定幅の直線状の複数のアイソレーション溝が、円形受光部の中心から径方向に放射状に形成されているので、複数のアイソレーション溝が円形受光部の中心近傍に集中する。そして、円形受光部の分割数が多いほど、即ちアイソレーション溝が多いほど隣り合うアイソレーション溝が近づき、円形受光部の中心から離隔した位置で複数のアイソレーション溝が幅方向（周方向）に連なるようになる。

こうして、複数のアイソレーション溝が周方向に連なって、円形受光部の中心近傍にアイソレーション溝の幅を一辺とする正多角形状の領域が形成される。アイソレーション溝では光電変換をすることができないので、この正多角形状の領域は光電流を生成できない無効領域である。この無効領域は、円形受光部の分割数が多いほど大きくなる。

ここで、光ファイバケーブルを介して入力される入射光の光強度分布は、一般的にはガウス分布であり、光軸から離隔するほど光強度が低下すると共に、光軸に対して回転対称状の光強度分布である。この光を、同形状且つ同面積となるように等分された円形受光部に均等に入射させるために、光軸が円形受光部に対して垂直にこの円形受光部の中心を通るように光を入射させる。

しかし、入射光の光軸近傍の光強度が高い部分が、円形受光部の中心近傍に形成された無効領域に照射され、光電流に変換されず無駄になるので、光給電コンバータの出力を大きくすることができない。

そこで、本発明は、円形受光部がその周方向に等分されて直列に接続された複数のフォトダイオードによって形成された半導体受光素子を有する光給電コンバータの出力の向上を目的としている。

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力される光を反射する反射鏡と、この反射鏡で反射された光を光電流に変換する半導体受光素子を有する光給電コンバータにおいて、前記半導体受光素子は、光電流を生成するために半導体基板に形成された円形受光部と、この円形受光部の中心を通って前記半導体受光素子を貫通する貫通孔を有し、前記円形受光部は、この円形受光部の中心に対して放射状に延びる複数の直線状のアイソレーション溝によって等分され、且つ複数の導電性部材によって直列に接続された複数のフォトダイオードを備え、前記反射鏡は、頂点を前記半導体受光素子に向けた円錐面を反射面とし、この円錐面の対称軸線が前記円形受光部に対して垂直に且つ前記円形受光部の中心を通るように配設され、前記貫通孔を介して前記対称軸線に光軸を一致させて入力される光が、前記反射鏡で反射されて円環状の光に変換され、前記円形受光部の前記複数のフォトダイオードに均等に入射するように構成されたことを特徴としている。

上記構成によれば、光ファイバケーブルを介して入力される光が反射鏡により反射されて円環状の光に変換される。この円環状の光は、円形受光部の周方向に等分された複数のフォトダイオードに均等に入射する。従って、複数のフォトダイオードの光電流のばらつきを小さくすることができる。また、貫通孔の外側であって、光電流を生成しない複数のアイソレーション溝が密集している貫通孔近傍には、円環状の光が入射しないようにすることができるので、光電変換されずに無駄になる光を減少させることができる。従って、複数のフォトダイオードを直列に接続して形成された円形受光部を有する半導体受光素子の光電流を大きくすることができ、光給電コンバータの出力を向上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、前記反射鏡は、前記対称軸線の近傍の第１円錐面と、この第１円錐面の外側に形成され且つ前記第１円錐面よりも底角が大きい第２円錐面を夫々反射面として有することを特徴としている。
上記構成によれば、反射鏡は、入力される光の光軸近傍の部分を第１円錐面で円環状に変換して円形受光部に入射させ、その外側の残りの部分を第２円錐面で円環状に変換して円形受光部に入射させる。円錐の対称軸を含む断面は二等辺三角形であり、この二等辺三角形の底角に相当する円錐の底面と母線のなす角を円錐の底角とする。そして、第１円錐面の底角よりも第２円錐面の底角が大きいので、第１円錐面よりも第２円錐面における反射角を大きくすることができ、第２円錐面によって反射された光を円形受光部の中心から大きく離隔させて入射させることができる。従って、円環状の光の外径を維持するように反射鏡を半導体受光素子に近づけることができるので、光給電コンバータを小型化することができる。

請求項３の発明の光給電コンバータは、請求項１の発明において、前記反射鏡は、前記対称軸線の近傍の第１円錐面と、この第１円錐面の外側に形成され且つ前記第１円錐面よりも底角が小さい第２円錐面を夫々反射面として有することを特徴としている。
上記構成によれば、反射鏡は、入力される光の光軸近傍の部分を第１円錐面で円環状に変換して円形受光部に入射させ、その外側の残りの部分を第２円錐面で円環状に変換して円形受光部に入射させる。円錐の対称軸を含む断面は二等辺三角形であり、この二等辺三角形の底角に相当する円錐の底面と母線のなす角を円錐の底角とする。そして、第１円錐面の底角よりも第２円錐面の底角が小さいので第１円錐面における反射角を大きくして、対称軸線から離隔させながら第１円錐面によって反射された光と第２円錐面によって反射された光とが交差するように反射させることができる。従って、アイソレーション溝が密集している貫通孔近傍を避けるように、入力された光を円形受光部の外周側に入射させることができ、アイソレーション溝に入射して無駄になる光を減少させて光給電コンバータの出力を向上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、円形受光部がその周方向に等分されて直列に接続された複数のフォトダイオードによって形成された半導体受光素子を有する光給電コンバータの出力を向上させることができる。

本発明の実施例１に係る光給電コンバータの斜視図である。図１の光給電コンバータが有する半導体受光素子への光の入射を示す図である。図２の半導体受光素子を光の入射側から見た平面図である。図３のIV－IV線断面図である。光ファイバケーブルを介して入力される光の光強度分布図である。反射鏡によって円環状に変換される光の説明図である。入力された光の反射鏡における入射位置と半導体受光素子上の入射位置の説明図である。入力される光の角度と半導体受光素子上の入射位置の関係を示すグラフの１例である。入力される光の出射位置から反射鏡までの距離と半導体受光素子上の入射位置の関係を示すグラフの１例である。入力される光の角度と出射位置から反射鏡までの距離に応じた半導体受光素子における入射位置を等高線状に示すグラフの１例である。本発明の実施例２に係る光給電コンバータの反射鏡によって円環状に変換される光の説明図である。図１１の反射鏡の他の例を示す図である。

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２に示すように、光給電コンバータ１は、例えばシングルモードの光ファイバケーブルＯＣを介して入力される光（入射光Ｌ１）を光電流に変換し、この光電流を外部に給電するための１対の出力端子部２ａ，２ｂを有する。１対の出力端子部２ａ，２ｂが装備された基台３には、受光した光から光電変換により光電流を生成するための半導体受光素子１０と、この半導体受光素子１０の保護及び遮光のためのカバー５が、例えば接着剤によって夫々固定されている。半導体受光素子１０の光電流を出力するための１対の電極１０ａ，１０ｂは、対応する出力端子部２ａ，２ｂに接続されている配線部３ａ，３ｂに、例えば導電性ワイヤ１１ａ，１１ｂによって接続されている。

光ファイバケーブルＯＣを介して入力される入射光Ｌ１は、波長が例えば１．５μｍ程度の赤外光である。この入射光Ｌ１は、光ファイバケーブルＯＣの出射端Ｅから出射された後は、進行するほど照射範囲が広がる円錐状のビームである。

カバー５は、入射光Ｌ１を半導体受光素子１０に向けて反射するために、円錐面６ａを反射面とする反射鏡６を有する。このカバー５が基台３に固定されたとき、反射鏡６は、円錐面６ａの頂点（円錐の頂点）を半導体受光素子１０の円形受光部１２に向けて、円錐面６ａの対称軸６ｂの延長線（対称軸線）が円形受光部１２に対して垂直に且つ円形受光部１２の中心Ｃを通るように配設される。

半導体受光素子１０は、円形受光部１２の中心Ｃを通ってこの半導体受光素子１０を貫通する貫通孔１０ｃを有する。基台３は、貫通孔１０ｃと同軸であって、この基台３を貫通する貫通孔３ｃを有する。光ファイバケーブルＯＣは、これら貫通孔３ｃ、１０ｃが連なった貫通孔に差し込まれ、その出射端Ｅが反射鏡６から所定の距離だけ離隔した位置に固定される。このとき、入射光Ｌ１の光軸ＯＡと反射鏡６の対称軸線とが一致するように、出射端Ｅが位置決めされる。反射鏡６は、入射光Ｌ１を反射して円環状の光Ｌ２に変換する。この円環状の光Ｌ２が、半導体受光素子１０の円形受光部１２に入射する。

図３に示すように、直径Ｄ１の円形受光部１２において、例えば光吸収層を備えた円形のＰＩＮ型フォトダイオードが、その中心Ｃに対して放射状に延びる複数の直線状のアイソレーション溝１３によって複数のフォトダイオード１４に等分されている。ここでは円形受光部１２が３０本のアイソレーション溝１３によって周方向に等分され、３０個のフォトダイオード１４が形成されている。そして、複数のアイソレーション溝１３によって電気的に分離された複数のフォトダイオード１４が、導電性部材２５によって直列に接続されている。尚、図３ではアイソレーション溝１３、フォトダイオード１４、導電性部材２５の符号を一部省略している。

円形受光部１２の中央部には中心Ｃを通って半導体受光素子１０を貫通する貫通孔１０ｃが形成されている。貫通孔１０ｃは、光ファイバケーブルＯＣの出射端Ｅを挿通可能であり、少なくともコア及びクラッドのみの光ファイバが挿通されるように形成されている。尚、複数のフォトダイオード１４の貫通孔１０ｃ側は、光ファイバケーブルＯＣとの接触を防ぐように、貫通孔１０ｃに対して径方向外側に後退していてもよい。

複数の直線状のアイソレーション溝１３は、形状及び受光面積が等しい複数のフォトダイオード１４となるように、円形受光部１２の中心Ｃに対して放射状に一定の幅で形成されている。また、円形受光部１２の外周に沿って円環状のアイソレーション溝１５が形成され、複数の直線状のアイソレーション溝１３が円環状のアイソレーション溝１５によって接続されている。貫通孔１０ｃの外側では複数のアイソレーション溝１３が密集し、隣り合うアイソレーション溝１３が幅方向に連なることによって、複数のアイソレーション溝１３が円形受光部１２の周方向に連なっている。尚、貫通孔１０ｃの外側に円環状のアイソレーション溝が形成されてもよい。

貫通孔１０ｃ近傍には一定の幅の複数のアイソレーション溝１３が密集しているので、円形受光部１２の周方向におけるアイソレーション溝１３に対するフォトダイオード１４の比率は、貫通孔１０ｃ側ほど小さく、外周側ほど大きくなる。アイソレーション溝１３では光電流を生成できないので、アイソレーション溝１３の幅を小さく且つ直線状に形成して、円形受光部１２の面積に占めるアイソレーション溝１３の面積を小さくすることが好ましい。

図４に示すように、フォトダイオード１４は、例えば半絶縁性の半導体基板２０に積層されたｎ型半導体層２１と光吸収層２２とｐ型半導体層２３を有する。半導体基板２０は例えばＩｎＰ基板であり、ｎ型半導体層２１は例えばｎ－ＩｎＰ層であり、光吸収層２２は例えばＩｎＧａＡｓ層であり、ｐ型半導体層２３は例えばｐ－ＩｎＰ層であるが、これに限定されるものではない。また、フォトダイオード１４はＰＩＮ型に限定されるものではない。尚、ｎ型半導体層２１、光吸収層２２、ｐ型半導体層２３の厚さは適宜設定することができ、０．５～１０μｍ程度の厚さに形成される場合が多い。

アイソレーション溝１３，１５は、ｎ型半導体層２１と光吸収層２２とｐ型半導体層２３が積層された半導体基板２０を、半導体基板２０が露出するようにｐ型半導体層２３側からエッチングして形成される。これにより、円形受光部１２が電気的に分離された複数のフォトダイオード１４に分割される。そして、これら複数のフォトダイオード１４が、例えば金を主成分とする導電性部材２５によって直列に接続されている。尚、アイソレーション溝１３，１５は、例えば半導体基板２０側ほど幅が狭くなるように側壁が傾斜状に形成されてもよい。

複数のフォトダイオード１４は、ｐ型半導体層２３と光吸収層２２を貫通してｎ型半導体層２１に到達する接続孔１７を夫々有する。そして、複数のフォトダイオード１４の表面とこれらフォトダイオード１４の接続孔１７の側壁を覆い且つ複数の直線状のアイソレーション溝１３及び円環状のアイソレーション溝１５を埋め込むように、絶縁性の保護膜２４が形成されている。保護膜２４は光の反射防止機能を備えていることが好ましいが、図示外の反射防止膜をさらに形成してもよい。

各フォトダイオード１４において、ｐ型半導体層２３上及び接続孔１７の内部の保護膜２４が部分的に除去されて、ｐ型半導体層２３及び接続孔１７底部でｎ型半導体層２１が夫々露出する。そして、図３、図４のように、複数の導電性部材２５によって複数のフォトダイオード１４を直列に接続するために、アイソレーション溝１３を介して隣り合うフォトダイオード１４間で、一方の露出したｐ型半導体層２３と他方の露出したｎ型半導体層２１とが導電性部材２５によって接続される。直列に接続された複数のフォトダイオード１４の両端の導電性部材２５は、対応する電極１０ａ，１０ｂに接続される。

導電性部材２５は、例えばリフトオフ法を用いて金属積層膜を選択的に堆積させることによって形成される。金属積層膜は、例えばチタン、クロムのような密着層と、例えば金、銀、アルミニウムのような低抵抗率層によって構成されている。アイソレーション溝１３，１５は、保護膜２４によって埋め込まれて段差が小さくなっているので、導電性部材２５の形成が容易になる。

アイソレーション溝１３は、保護膜２４によって完全に埋め込まれる必要はなく、導電性部材２５を形成できる程度に段差が小さくなっていればよい。図示を省略するが、各フォトダイオード１４において、ｐ型半導体層２３に接続するアノード電極とｎ型半導体層２１に接続するカソード電極が形成され、上記と同様に隣り合うフォトダイオード１４間で一方のアノード電極と他方のカソード電極とが導電性部材２５により接続されてもよい。また、これも図示を省略するが、導電性部材２５として例えば金を主成分とする導電性ワイヤによって、上記と同様に隣り合うフォトダイオード１４間で、一方のアノード電極と他方のカソード電極とが接続されてもよい。

直列に接続された複数のフォトダイオード１４によって円形受光部１２が形成されているので、半導体受光素子１０が出力する光電流は小さくなるが、その出力電圧を高くすることができる。従って、この半導体受光素子１０を備えた光給電コンバータ１は、高い電圧で給電することができる。

図２、図５に示すように、光ファイバケーブルＯＣの出射端Ｅから出射された入射光Ｌ１は、例えば頂角θ（全角）が１４°の円錐状に広がりながら進行するビームである。この入射光Ｌ１の光強度分布は、光軸ＯＡに垂直な平面Ｐ上においてガウス分布になり、光軸ＯＡから離隔するほど光強度が低下すると共に光軸ＯＡに対して回転対称の光強度分布になる。尚、光強度が光軸ＯＡ上の光強度の１／ｅ^２になるところを入射光Ｌ１の最外周としている。

図６のように、反射鏡６は円錐面６ａを反射面としている。円錐面６ａは対称軸６ｂに対して回転対称である。円錐の対称軸を含む断面は二等辺三角形なので、この二等辺三角形の底角に相当する円錐の底面と母線のなす角を円錐の底角とする。反射鏡６の円錐面６ａについて、底角をβとすると、円錐面６ａの頂角δ（半角）は（π／２）－βである。

入射光Ｌ１を円環状の光Ｌ２に変換して円形受光部１２に入射させるために、反射鏡６は半導体受光素子１０からある程度離れた位置に設置される。対称軸６ｂの延長線（対称軸線）上で出射端Ｅと反射鏡６の円錐面６ａの頂点との間の距離をｓとする。この距離ｓは、光ファイバケーブルＯＣの出射端Ｅの位置によって設定可能である。また、対称軸線上における円錐面６ａの頂点と円形受光部１２との間の距離をｄとする。そして、円形受光部１２の表面に対する出射端Ｅの突出長又は後退長に相当する対称軸線上における出射端Ｅと円形受光部１２の間の距離をｈとする。

入射光Ｌ１は、その光軸ＯＡを反射鏡６の円錐面６ａの対称軸線に一致させている。反射鏡６は、頂角θの円錐状のビームである入射光Ｌ１を反射して円環状の光Ｌ２に変換し、半導体受光素子１０の円形受光部１２に円環状の光Ｌ２を入射させる。光軸ＯＡを円錐面６ａの対称軸線に一致させたので、反射された光は光軸ＯＡから離隔するように広がって円環状の光Ｌ２になる。この円環状の光Ｌ２の光強度分布は、径方向において内径部分の光強度が最も高くなり、外径側ほど光強度が低下する。また、入射光Ｌ１は光軸ＯＡに対して回転対称の強度分布なので、円環状の光Ｌ２の光強度は周方向において等しい。。

次に、入射光Ｌ１の半導体受光素子１０における入射位置について説明する。
図７に示すように、ｘｙ平面上で原点を出射端Ｅとし、光軸ＯＡをｘ軸に一致させた入射光Ｌ１が原点から出射される。原点から距離ｓのｘ軸上の位置を頂点とする円錐面６ａに入射光Ｌ１が入射したときに、入射光Ｌ１に含まれる光線Ｌａが円錐面６ａに入射する点をＰ１（ｘ１，ｙ１）とする。そして、この光線Ｌａが点Ｐ１で反射されて、原点から円錐面６ａと反対側に距離ｈだけ離隔した円形受光部１２に入射する点をＰ２（－ｈ，ｙ２）とする。

光軸ＯＡ上における入射光Ｌ１の反射鏡６への入射角はβであり、反射角もβである。光軸ＯＡに対して角度αで進行する光線Ｌａが円錐面６ａに入射する入射角をγとすると、γ＝α＋βであり、反射角もγである。このときｙ２は下記（１）式で表される。
ｙ２＝ｙ１＋（ｘ１＋ｈ）ｔａｎ（ζ）・・・（１）
また、ζは下記（２）式で表される。
ζ＝２γ－α＝α＋２β ・・・（２）

上記（１）、（２）式に基づいて、ｈ＝０、β＝２°として、出射端Ｅから円錐面６ａの頂点までの距離ｓが５００，１０００，１５００μｍの場合に、光線Ｌａが円形受光部１２に入射する点Ｐ２の位置が、図８に示されている。距離ｓが一定の場合には角度αが大きいほど点Ｐ２が円形受光部１２の中心Ｃから大きく離隔する。角度αが一定の場合には距離ｓが大きいほど点Ｐ２が円形受光部１２の中心Ｃから大きく離隔する。

例えばｓ＝１０００μｍの場合に、光軸ＯＡ上の光に相当するα＝０°ではｙ２＝７０μｍになるので、円環状の光Ｌ２の内径が１４０μｍになる。そしてθ＝１４°の入射光Ｌ１の最外周部分に相当するα＝７°では、ｙ２＝３２０μｍになり、円環状の光Ｌ２の外径が６４０μｍになる。

ここで、図３のように幅が１４μｍの３０本のアイソレーション溝１３によって円形受光部１２が周方向に３０等分された場合に、貫通孔１０ｃの外側で複数のアイソレーション溝１３が幅方向に連なって形成された正三十角形の領域の外周の長さは４２０μｍである。この正三十角形の領域の外径Ｄ２は１３４μｍなので、内径が１４０μｍの円環状の光Ｌ２を、正三十角形の領域に入射させずに、複数のフォトダイオード１４に等しい光量で入射させることができる。このとき、円環状の光Ｌ２の外径よりも直径Ｄ１が大きい円形受光部１２に対して、光ファイバケーブルＯＣを介して入力される光を無駄なく入射させることができる。

図９は、ｈ＝０，β＝２°とし、距離ｓを変化させた場合に、円形受光部１２に入射する円環状の光Ｌ２の内径に相当するα＝０°の場合の点Ｐ２と、外径に相当するものとして例えばα＝７°の場合の点Ｐ２の位置を示している。円環状の光Ｌ２の外径が円形受光部１２の直径Ｄ１以下になり、且つ内径が例えば貫通孔１０ｃを含む正三十角形の領域の外径よりも大きくなるように、図９に基づいて距離ｓを設定することができる。例えば距離ｓ＝１４００μｍとすれば、円環状の光Ｌ２の内径が２００μｍ、外径が９００μｍになるので、例えば直径Ｄ１が１０００μｍの円形受光部１２に円環状の光Ｌ２を無駄なく入射させることができる。

図１０は、ｈ＝０，β＝２°とし、角度αと距離ｓをパラメータとして、点Ｐ２の位置を等高線状に示している。角度αが一定の場合には、距離ｓが大きいほど点Ｐ２が円形受光部１２の中心Ｃから離隔する。また、距離ｓが一定の場合には、角度αが大きいほど点Ｐ２が円形受光部１２の中心Ｃから離隔する。円形受光部１２の直径Ｄ１と入射光Ｌ１の頂角θが決まれば、図１０に基づいて円環状の光Ｌ２が円形受光部１２からはみ出ない距離ｓを設定することができる。尚、ｈ、α，βが上記と異なる場合にも上記と同様にして円形受光部１２に円環状の光Ｌ２を無駄なく入射させるように構成することができる。

光給電コンバータ１は、反射鏡６の代わりに、図１１，図１２に示すような反射鏡６Ａを用いて構成することができる。反射鏡６Ａは、半導体受光素子１０側から見て対称軸６ｂ近傍の円錐面６ａを第１円錐面とし、円錐面６ａの外側の円錐面６ｃを第２円錐面として有し、これら円錐面６ａ，６ｃを反射面としている。反射鏡６Ａ以外の部分は上記実施例１と共通であり、上記と同じ符号を付して説明を省略する。

円錐面６ａと円錐面６ｃは、対称軸が同一軸線上にある。円錐面６ａは、底角がβであり、入射光Ｌ１のうちの光軸ＯＡ近傍部分を反射して円環状に変換する。円錐面６ｃは、底角がβ’であり、入射光Ｌ１のうち円錐面６ａに入射する光軸ＯＡ近傍部分の外側の残りの部分を反射して円環状に変換する。円環状の光Ｌ２は、これら円錐面６ａ，６ｃで反射された光の両方を含んでいる。尚、円環状の光Ｌ２は、円錐面６ａで反射された光と円錐面６ｃで反射された光が分かれて、２重の円環状になる場合がある。

図１１のように、例えばβ＝２°、β’＝４°としてβ＜β’の場合には、入射光Ｌ１のうち円錐面６ｃに入射する光の入射角を、円錐面６ａに入射する光の入射角よりも大きくすることができる。それ故、円錐面６ｃに入射する光は、円錐面６ａに入射する光よりも光軸ＯＡから大きく離隔するように反射され、円形受光部１２の外周側に入射する。円形受光部１２における入射位置は、上記と同様にして設定することができる。

円錐面６ｃによって円環状の光Ｌ２の外径が大きくなることを利用して、円環状の光Ｌ２の外径が維持されるように距離ｓを小さくすることができるので、反射鏡６Ａを半導体受光素子１０に近づけて光給電コンバータ１を小型化することができる。尚、距離ｓを小さくした場合には、円環状の光Ｌ２の内径も小さくなる。

一方、図１２のように、例えばβ＝４°、β’＝２°としてβ＞β’の場合には、入射光Ｌ１のうち円錐面６ａに入射する光の入射角を、円錐面６ｃに入射する光の入射角よりも大きくすることができる。それ故、円錐面６ａに入射する光を、円錐面６ｃに入射する光よりも光軸ＯＡから大きく離隔するように反射させ、円錐面６ａ，６ｃで反射された光が交差するようにして、円形受光部１２に入射させることができる。円形受光部１２における入射位置は、上記と同様にして設定することができる。

円錐面６ａによって、距離ｓを大きくせずに、入射光Ｌ１のうちの光軸ＯＡ近傍の光強度が高い光を、円形受光部１２の外周側に入射させる。これにより、アイソレーション溝１３が密集している貫通孔１０ｃ近傍を避けて、円環状の光Ｌ２を円形受光部１２の周方向におけるフォトダイオード１４の比率が大きい外周側に入射させることができる。従って、アイソレーション溝１３に入射して無駄になる光を減少させて、光給電コンバータ１の出力を向上させることができる。

上記光給電コンバータ１の作用、効果について説明する。
光ファイバケーブルＯＣを介して入力される光（入射光Ｌ１）が反射鏡６により反射されて円環状の光Ｌ２に変換される。この円環状の光Ｌ２は、円形受光部１２の周方向に等分された複数のフォトダイオード１４に均等に入射するので、複数のフォトダイオード１４の光電流のばらつきを小さくすることができる。また、円環状の光Ｌ２なので、光電流を生成しない複数のアイソレーション溝１３が密集している貫通孔１０ｃ近傍には入射させないようにして、光電変換されずに無駄になる光を減少させることができる。従って、周方向に分割された複数のフォトダイオード１４を直列に接続して形成された円形受光部１２を有する半導体受光素子１０の光電流を大きくすることができ、光給電コンバータ１の出力を向上させることができる。

対称軸線近傍の円錐面６ａ（第１円錐面）と、円錐面６ａの外側に形成され且つ円錐面６ａよりも底角が大きい円錐面６ｃ（第２円錐面）を夫々反射面として有する反射鏡６Ａの場合には、入射光Ｌ１の光軸ＯＡ近傍部分を円錐面６ａに入射させ、その外側の残りの部分を円錐面６ｃに入射させる。円錐面６ｃの底角は円錐面６ａの底角よりも大きいので、円錐面６ｃにおける反射角を大きくすることができ、円錐面６ｃで反射した光を円形受光部１２にその中心Ｃから大きく離隔させて入射させることができる。従って、円錐面６ｃが円環状の光Ｌ２を円形受光部１２の外周側に大きく広げるので、円環状の光Ｌ２が円形受光部１２からはみ出ないように反射鏡６Ａを半導体受光素子１０に近づけて円環状の光Ｌ２の外径を維持して、光給電コンバータ１を小型化することができる。

対称軸線近傍の円錐面６ａ（第１円錐面）と、円錐面６ａの外側に形成され且つ円錐面６ａよりも底角が小さい円錐面６ｃ（第２円錐面）を夫々反射面として有する反射鏡６Ａの場合には、入射光Ｌ１の光軸ＯＡ近傍部分を円錐面６ａに入射させ、その外側の残りの部分を円錐面６ｃに入射させる。円錐面６ａの底角は円錐面６ｃの底角よりも大きいので、円錐面６ａにおける反射角を大きくすることができる。それ故、反射鏡６Ａは、対称軸線から離隔させながら円錐面６ａで反射された光と円錐面６ｃで反射された光が交差するように、入射光Ｌ１を反射することができる。従って、アイソレーション溝１３が密集している貫通孔１０ｃ近傍を避けて、円錐面６ａで反射された光を円形受光部１２の外周側に入射させることができるので、アイソレーション溝１３に入射して無駄になる光を減少させて光給電コンバータ１の出力を向上させることができる。

半導体受光素子１０は裏面入射型の受光素子であってもよい。また、入射光Ｌ１が円環状の光Ｌ２に変換されるので、貫通孔１０ｃに対して放射状に形成された複数のアイソレーション溝１３によって光電流を生成する受光部が周方向に等分され、円環状の光Ｌ２が全て受光部に入射する場合には、受光部の外周形状は円形以外の例えば多角形にすることができる。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
２ａ，２ｂ：出力端子部
３：基台
５：カバー
６，６Ａ：反射鏡
６ａ：円錐面（第１円錐面）
６ｂ：対称軸
６ｃ：円錐面（第２円錐面）
１０：半導体受光素子
１０ａ，１０ｂ：電極
１０ｃ：貫通孔
１１ａ，１１ｂ：導電性ワイヤ
１２：円形受光部
１３：アイソレーション溝
１４：フォトダイオード
１５：アイソレーション溝
２０：半導体基板
２１：ｎ型半導体層
２２：光吸収層
２３：ｐ型半導体層
２４：保護膜
２５：導電性部材
Ｌ１：入射光
Ｌ２：円環状の光
ＯＡ：光軸
ＯＣ：光ファイバケーブル
Ｅ：出射端

Claims

光ファイバケーブルを介して入力される光を反射する反射鏡と、この反射鏡で反射された光を光電流に変換する半導体受光素子を有する光給電コンバータにおいて、
前記半導体受光素子は、光電流を生成するために半導体基板に形成された円形受光部と、この円形受光部の中心を通って前記半導体受光素子を貫通する貫通孔を有し、
前記円形受光部は、この円形受光部の中心に対して放射状に延びる複数の直線状のアイソレーション溝によって等分され、且つ複数の導電性部材によって直列に接続された複数のフォトダイオードを備え、
前記反射鏡は、頂点を前記半導体受光素子に向けた円錐面を反射面とし、この円錐面の対称軸線が前記円形受光部に対して垂直に且つ前記円形受光部の中心を通るように配設され、
前記貫通孔を介して前記対称軸線に光軸を一致させて入力される光が、前記反射鏡で反射されて円環状の光に変換され、前記円形受光部の前記複数のフォトダイオードに均等に入射するように構成されたことを特徴とする光給電コンバータ。
前記反射鏡は、前記対称軸線の近傍の第１円錐面と、この第１円錐面の外側に形成され且つ前記第１円錐面よりも底角が大きい第２円錐面を夫々反射面として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。
前記反射鏡は、前記対称軸線の近傍の第１円錐面と、この第１円錐面の外側に形成され且つ前記第１円錐面よりも底角が小さい第２円錐面を夫々反射面として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。