JP7412834B1 - optical power converter - Google Patents
optical power converter Download PDFInfo
- Publication number
- JP7412834B1 JP7412834B1 JP2023544122A JP2023544122A JP7412834B1 JP 7412834 B1 JP7412834 B1 JP 7412834B1 JP 2023544122 A JP2023544122 A JP 2023544122A JP 2023544122 A JP2023544122 A JP 2023544122A JP 7412834 B1 JP7412834 B1 JP 7412834B1
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- circular
- light
- photodiode
- receiving section
- radial
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 49
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims abstract description 78
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 64
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 22
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 12
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 7
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 2
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 claims 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 10
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 8
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 2
- 238000003780 insertion Methods 0.000 description 2
- 230000037431 insertion Effects 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 239000012141 concentrate Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000004880 explosion Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/02—Details
- H01L31/0232—Optical elements or arrangements associated with the device
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
【課題】出力電圧を高くするために分割された円形受光部における光ファイバケーブルからの光の利用効率を向上させて出力を向上させた光給電コンバータを提供すること。【解決手段】光ファイバケーブルからの光を半導体受光素子(10)により光電流に変換して出力する光給電コンバータは、半導体受光素子(10)の円形受光部(12)が、この円形受光部(12)と同心の複数の円環状アイソレーション溝により分割された円形フォトダイオード(14a)及び1つ以上の円環状フォトダイオード(14b)と、円環状フォトダイオード(14b)の外側に複数の放射状アイソレーション溝によって分割された複数の放射状フォトダイオード(16)を有し、円形フォトダイオード(14a)と円環状フォトダイオード(14b)と複数の放射状フォトダイオード(16)は、光の光強度分布に基づいて受光量が互いに等しくなるように受光面積が夫々設定されて複数の導電性部材(25)によって直列に接続された。An object of the present invention is to provide an optical power supply converter that improves the output by improving the utilization efficiency of light from an optical fiber cable in a divided circular light receiving section to increase the output voltage. [Solution] In an optical power supply converter that converts light from an optical fiber cable into a photocurrent using a semiconductor light receiving element (10) and outputs the photocurrent, a circular light receiving part (12) of the semiconductor light receiving element (10) is connected to the circular light receiving part. A circular photodiode (14a) and one or more circular photodiodes (14b) divided by a plurality of circular isolation grooves concentric with (12), and a plurality of radial grooves on the outside of the circular photodiode (14b). It has a plurality of radial photodiodes (16) divided by isolation grooves, and a circular photodiode (14a), an annular photodiode (14b), and a plurality of radial photodiodes (16) are arranged according to the light intensity distribution of the light. Based on this, the light-receiving areas were set so that the amount of light received was equal to each other, and the light-receiving areas were connected in series by a plurality of conductive members (25).
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。 The present invention relates to an optical power supply converter that converts light input via an optical fiber cable into power and supplies the power.
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。 In special environments, such as remote locations without power supply equipment, environments where weak electromagnetic fields from power supply cause noise, environments that require explosion protection, and inside ultra-high voltage equipment where electrical interactions occur, electronic devices may be connected via power cables. In some cases, it may not be possible to supply power to operate the equipment. For this reason, optical power supply converters are used that receive light transmitted to electronic devices via optical fiber cables, generate photocurrent through photoelectric conversion, and supply power.
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。 The optical power supply converter has a semiconductor light receiving element for photoelectric conversion. The output voltage of this semiconductor photodetector is usually less than 1V. When a device receiving power from an optical power supply converter requires a high input voltage, an optical power supply converter with a high output voltage is used. For example, as in
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。 The output voltage of a semiconductor light receiving element constituted by a plurality of divided photodiodes connected in series increases as the number of photodiodes increases. On the other hand, the output current is smaller than when it is not divided, and becomes smaller as the number of divisions increases. Moreover, this output current is limited by the photodiode with the least photocurrent generated by photoelectric conversion. Therefore, in order to make the photocurrents of the plurality of photodiodes equal to each other, the circular light receiving section is equally divided so that the plurality of photodiodes have the same shape and the same area.
円形受光部を等分するために、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くので、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夫々幅方向に連なることにより周方向に連なる。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、円形受光部の分割数が多いほど、この円形受光部の中心近傍に複数のアイソレーション溝が周方向に連なって形成される光電変換できない無効領域が大きくなる。 In order to divide the circular light receiving area into equal parts, a plurality of linear isolation grooves with a constant width are formed radially in the radial direction from the center of the circular light receiving area. Concentrate near the center. The larger the number of divisions of the circular light-receiving section, that is, the more isolation grooves there are, the closer the adjacent isolation grooves are, so that a plurality of isolation grooves are connected in the width direction at positions separated from the center of the circular light-receiving section. This makes them continuous in the circumferential direction. Since photoelectric conversion cannot be performed in the isolation groove, the more the number of divisions of the circular light-receiving area, the more isolation grooves are formed in the circumferential direction near the center of the circular light-receiving area. becomes larger.
ここで、光ファイバケーブルを介して入力される光の強度分布は、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。それ故、この光の光軸が円形受光部の中心をこの円形受光部に対して垂直に通るように入射させることによって、円形受光部の複数のフォトダイオードが均等に受光することができる。 Here, the intensity distribution of the light input through the optical fiber cable is generally a Gaussian distribution, and the light intensity decreases as the distance from the optical axis increases. This is the intensity distribution. Therefore, by allowing the optical axis of this light to pass through the center of the circular light receiving section perpendicularly to the circular light receiving section, the plurality of photodiodes of the circular light receiving section can receive the light evenly.
このとき、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の無効領域に入射して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、特許文献2のように、円形受光部の中央部に円形のフォトダイオードを設け、この円形のフォトダイオードの外周側を放射状のアイソレーション溝によって周方向に分割して複数のフォトダイオードを設け、これらフォトダイオードを直列に接続した光給電コンバータが知られている。 At this time, the high intensity part of the incident light near the optical axis enters the ineffective area near the center of the circular light receiving part and is not converted into photocurrent and is wasted, so the output of the optical power supply converter must be increased. I can't. Therefore, as in
特許文献2のように円形受光部を円形のフォトダイオードとその周囲の周方向に並ぶ複数のフォトダイオードに分割する場合には、光軸近傍の光強度が高い部分も光電変換され、分割数を増やして出力電圧を高くすることができる。しかし、複数のフォトダイオードで生成される光電流が等しくなるように、円形受光部の分割数が多くなるほど、円形のフォトダイオードの直径が小さくなると共に、その外側において放射状のアイソレーション溝同士が近づいて重なり合うようになる。 When the circular light receiving section is divided into a circular photodiode and a plurality of photodiodes arranged in the circumferential direction around the circular photodiode as in
そのため、円形受光部の分割数が多い場合には、複数の放射状のアイソレーション溝が周方向に連なって、円形のフォトダイオードを囲むように無効領域が形成されてしまう。それ故、光軸近傍の光強度が高い部分の一部が円形のフォトダイオードの外側の無効領域に入射することになり、光ファイバケーブルを介して入力される光を十分に利用することができなかった。 Therefore, when the number of divisions of the circular light-receiving section is large, a plurality of radial isolation grooves are connected in the circumferential direction, and an ineffective area is formed to surround the circular photodiode. Therefore, a portion of the high light intensity near the optical axis will be incident on the ineffective area outside the circular photodiode, making it impossible to fully utilize the light input through the optical fiber cable. There wasn't.
そこで、本発明は、出力電圧を高くするために分割された円形受光部における光ファイバケーブルからの光の利用効率の向上により、出力を向上させた光給電コンバータを提供することを目的としている。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a light-fed converter with improved output by improving the utilization efficiency of light from an optical fiber cable in a circular light-receiving section divided to increase output voltage.
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から入力される入射光を半導体受光素子により光電流に変換して出力する光給電コンバータにおいて、前記半導体受光素子は円形受光部を備え、前記円形受光部は、その外周に沿って形成された外周アイソレーション溝の内側がこの円形受光部と同心の複数の円環状アイソレーション溝及び前記円形受光部の中心に対して放射状に形成された複数の放射状アイソレーション溝によって分割されて、前記円形受光部の中央部の円形フォトダイオードと、この円形フォトダイオードの外側で周方向に並ぶ複数の放射状フォトダイオードと、前記円形フォトダイオードの外周を仕切る円環状アイソレーション溝の外側で複数の前記放射状アイソレーション溝が周方向に連なる光電変換できない無効領域の形成を防ぐ1つ以上の円環状フォトダイオードを有し、前記円形フォトダイオードと前記円環状フォトダイオードと前記放射状フォトダイオードは、前記入射光の光軸から離隔するほど光強度が低下すると共にこの光軸に対して回転対称の光強度分布と、前記円形受光部の分割数とに基づいて受光量が互いに等しくなるように受光面積が夫々設定され、前記円形フォトダイオードと前記円環状フォトダイオードと複数の前記放射状フォトダイオードが複数の導電性部材によって直列に接続されたことを特徴としている。
The optical power feeding converter of the invention according to
上記構成によれば、半導体受光素子の円形受光部は、その外周に沿って形成された外周アイソレーション溝の内側が複数の円環状アイソレーション溝と複数の放射状アイソレーション溝によって分割され、円形フォトダイオードと1つ以上の円環状フォトダイオードと複数の放射状フォトダイオードが形成されている。そして、これら複数のフォトダイオードが直列に接続されている。この円形受光部が有する円形フォトダイオードと、円環状フォトダイオードと、放射状フォトダイオードの受光面積は、光ファイバケーブルから入力される入射光の光軸から離隔するほど光強度が低下すると共にこの光軸に対して回転対称の光強度分布と円形受光部の分割数とに基づいて、受光量が互いに等しくなるように夫々設定されている。それ故、円形受光部の複数のフォトダイオードで夫々生成される光電流のばらつきが抑制され、これら複数のフォトダイオードが直列に接続された場合に光電流のばらつきに起因する半導体受光素子の出力低下が抑制される。従って、この半導体受光素子を有する光給電コンバータの出力低下が抑制される。そして、円形受光部の分割数が多い場合でも、円形受光部の中央部の円形フォトダイオードの外側において、複数の放射状アイソレーション溝が集中して周方向に連なって形成される光電変換できない無効領域の形成を防ぐ1つ以上の円環状フォトダイオードが、円形フォトダイオードを囲んでいるので、光電流を生成できない無効領域が形成されない。従って、円形受光部の中央部で入射光の光強度が高い部分を光電流に変換することができ、円形受光部における光の利用効率を向上させることができるので、光給電コンバータの出力を向上させることができる。 According to the above configuration, the circular light-receiving portion of the semiconductor light-receiving element has the inner side of the outer circumferential isolation groove formed along the outer periphery divided by a plurality of annular isolation grooves and a plurality of radial isolation grooves, and a circular photodetector. A diode, one or more toroidal photodiodes, and a plurality of radial photodiodes are formed. These plurality of photodiodes are connected in series. The light-receiving area of the circular photodiode, annular photodiode, and radial photodiode that this circular light-receiving section has is that the light intensity decreases as the distance from the optical axis of the incident light input from the optical fiber cable increases, and Based on the rotationally symmetrical light intensity distribution and the number of divisions of the circular light receiving section, the amounts of light received are set to be equal to each other. Therefore, variations in the photocurrent generated by the plurality of photodiodes in the circular light-receiving section are suppressed, and when these plurality of photodiodes are connected in series, the output of the semiconductor light-receiving element is reduced due to variations in the photocurrent. is suppressed. Therefore, a decrease in the output of the optical power supply converter having this semiconductor light-receiving element is suppressed. Even when the number of divisions of the circular light-receiving section is large, an ineffective area where photoelectric conversion is not possible is formed by concentrating a plurality of radial isolation grooves and connecting them in the circumferential direction on the outside of the circular photodiode in the center of the circular light-receiving section. Surrounding the circular photodiode are one or more annular photodiodes that prevent the formation of photocurrent, so that no dead area is formed where photocurrent cannot be generated. Therefore, the central part of the circular light receiving section where the light intensity of the incident light is high can be converted into photocurrent, improving the light utilization efficiency in the circular light receiving section, thereby improving the output of the optical power supply converter. can be done.
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、複数の前記放射状アイソレーション溝は、前記円形受光部の中心を通る中心軸に対して回転対称状に形成されたことを特徴としている。
上記構成によれば、円環状フォトダイオードの外側が、回転対称状に形成された放射状アイソレーション溝によって周方向に等分されるので、複数の放射状フォトダイオードの受光面積を容易に等しくすることができる。また、光ファイバケーブルから入力される入射光は光軸に対して回転対称の光強度分布である。それ故、入射光の光軸が円形受光部の中心をこの円形受光部に対して垂直に通るように光を入射させて、即ち入射光の光軸を円形受光部の中心軸と一致させて、円形受光部の各フォトダイオードの受光量を互いに等しくすることができる。従って、円形受光部が有する複数のフォトダイオードで夫々生成される光電流のばらつきが抑制され、光給電コンバータの出力の低下を抑制することができる。The optical power feeding converter of the invention according to
According to the above configuration, since the outer side of the annular photodiode is equally divided in the circumferential direction by the radial isolation grooves formed in a rotationally symmetrical manner, it is possible to easily equalize the light receiving areas of the plurality of radial photodiodes. can. Furthermore, the incident light input from the optical fiber cable has a light intensity distribution that is rotationally symmetrical with respect to the optical axis. Therefore, the optical axis of the incident light passes through the center of the circular light receiving part perpendicularly to the circular light receiving part, that is, the optical axis of the incident light is made to coincide with the central axis of the circular light receiving part. , the amount of light received by each photodiode of the circular light receiving section can be made equal to each other. Therefore, variations in the photocurrents generated by the plurality of photodiodes included in the circular light receiving section are suppressed, and a decrease in the output of the optical power supply converter can be suppressed.
本発明の光給電コンバータによれば、出力電圧を高くするために分割された円形受光部において、光ファイバケーブルからの光の利用効率を向上させて、光給電コンバータの出力を向上させることができる。 According to the optically-fed converter of the present invention, it is possible to improve the efficiency of using light from the optical fiber cable in the divided circular light-receiving section to increase the output voltage, thereby improving the output of the optically-fed converter. .
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。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Hereinafter, the form for implementing this invention is demonstrated based on an Example.
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)L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1対の電極10a,10bは、対応する出力端子部2a,2bに接続された配線部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。 As shown in FIGS. 1 and 2, the optical
光ファイバケーブルOCは、カバー5を貫通する挿入孔5aに差し込まれ、その出射端Eが半導体受光素子10から所定の距離だけ離隔した位置となるように固定される。光ファイバケーブルOCの出射端Eの位置決め機構が、カバー5に装備されていてもよい。 The optical fiber cable OC is inserted into an
光ファイバケーブルOCを介して入力される光Lは、波長が例えば1.5μm程度の赤外光である。この光Lは、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。半導体受光素子10は、光電変換によって光Lから光電流を生成する円形受光部12を有する。出射端Eから出射される光Lの光軸OAが円形受光部12の中心Cをこの円形受光部12に対して垂直に通るように、即ち光軸OAと円形受光部12の中心軸が一致するように、出射端Eが位置決めされる。 The light L input through the optical fiber cable OC is infrared light with a wavelength of, for example, about 1.5 μm. This light L is a conical beam whose irradiation range becomes wider as it advances after being emitted from the emission end E. The semiconductor
図3に示すように、円形受光部12は、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、一定幅のアイソレーション溝によって複数のフォトダイオードに分割され、これら複数のフォトダイオードが直列に接続されて形成されている。尚、アイソレーション溝では光電流が生成されないので、出力を大きくするために円形受光部12の面積に占めるアイソレーション溝の面積を小さくすることが好ましい。 As shown in FIG. 3, the circular light-receiving
円形受光部12の中央部には、円形受光部12と同心の第1円環状アイソレーション溝13aによって円形フォトダイオード14aが形成されている。また、円形受光部12と同心且つ直径が第1円環状アイソレーション溝13aよりも大きい第2円環状アイソレーション溝13bと第1円環状アイソレーション溝13aの間には、円環状フォトダイオード14bが形成されている。 A
第2円環状アイソレーション溝13bと、円形受光部12の外周に沿って形成された外周アイソレーション溝13nとの間には、円形受光部12の中心Cに対して放射状に複数(ここでは30本)の直線状の放射状アイソレーション溝15が形成されている。これら複数の放射状アイソレーション溝15は、円形受光部12の中心Cを通る中心軸に対して回転対称状に形成され、円環状フォトダイオード14bの外側を周方向に等分し、且つ第2円環状アイソレーション溝13bと外周アイソレーション溝13nを接続している。尚、図3では放射状アイソレーション溝15の符号を一部省略している。 Between the second
こうして円環状フォトダイオード14bの外側には、複数の放射状アイソレーション溝15によって複数(ここでは30個)の放射状フォトダイオード16が形成されている。これら放射状フォトダイオード16は、円環状フォトダイオード14bを囲むように周方向に並んでいる。以下では、円形受光部12が分割されて形成された円形、円環状及び放射状の各フォトダイオードを区別せずにPDと記載する場合がある。尚、図3では放射状フォトダイオード16の符号を一部省略している。 In this way, a plurality of (30 in this case)
円形受光部12の各PD(円形フォトダイオード14a、円環状フォトダイオード14b、放射状フォトダイオード16)は、例えば図4に示すように、半絶縁性の半導体基板20上に積層された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く、円形受光部12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。 Each PD (
アイソレーション溝(第1、第2円環状アイソレーション溝13a,13b、外周アイソレーション溝13n、複数の放射状アイソレーション溝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p型半導体層23側から、半導体基板20に到達するまで選択的にエッチングすることにより形成される。これにより電気的に分離された複数のPDが形成される。尚、アイソレーション溝は、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していてもよい。 The isolation grooves (first and second
複数のPD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に到達する貫通孔17を夫々有する。そして、絶縁性の保護膜24が、複数のPDの表面とこれらPDの貫通孔17の内壁を覆い且つアイソレーション溝を埋め込むように形成されている。保護膜24は、入射する光L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形成してもよい。 Each of the plurality of PDs has a through
各PDにおいて、p型半導体層23上及び貫通孔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及び貫通孔17底部でn型半導体層21が露出する。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PDを直列に接続するために、アイソレーション溝を介して隣り合うPD間で、露出した一方のp型半導体層23と他方のn型半導体層21とが導電性部材25によって接続される。尚、図3では複数の導電性部材25の符号を一部省略している。 In each PD, the
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。 The
また、放射状アイソレーション溝15を埋め込んだ保護膜24上に、例えば電極10aと円形フォトダイオード14aとの接続用及び円環状フォトダイオード14bと放射状フォトダイオード16との接続用の導電性部材25が夫々形成され、入射する光Lが遮られないようにしている。隣り合う放射状フォトダイオード16を接続する導電性部材25が円形受光部12の中心Cを通る中心軸に対して回転対称状に形成されることにより、各放射状フォトダイオード16において導電性部材25によって遮られる光量が等しくなることが好ましい。 Further, on the
アイソレーション溝が保護膜24によって埋め込まれて段差が無い場合には、複数の導電性部材25を容易に形成することができる。保護膜24によるアイソレーション溝の埋め込みは、導電性部材25を形成できる程度に段差を小さくしていればよい。図示を省略するが、各PD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を形成し、上記と同様に隣り合うPD間で一方のアノード電極を他方のカソード電極に導電性部材25によって接続してもよい。また、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を使用してもよい。 When the isolation groove is filled with the
円形受光部12において、円形フォトダイオード14aと円環状フォトダイオード14bと複数の放射状フォトダイオード16が直列に接続されているので、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、光ファイバケーブルOCを介して入力される光を光電変換するために半導体受光素子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。 In the circular
光ファイバケーブルOCの出射端Eから出射された光Lは、図2、図5のように例えば頂角θ(全角)が14度の円錐状に広がって円形受光部12に入射する。この光Lの光強度分布はガウス分布であり、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。この光強度分布に基づいて、円形受光部12の各PDが生成する光電流が等しくなるように、即ち受光量が等しくなるように、円形フォトダイオード14aと円環状フォトダイオード14bと放射状フォトダイオード16の受光面積が夫々設定されている。高強度の光を受ける円形フォトダイオード14aは面積が小さく、低強度の光を受ける放射状フォトダイオード16は円形フォトダイオード14a、円環状フォトダイオード14bよりも面積が大きくなる。尚、受光面積は、例えば円形受光部12の最外周部分に入射する光強度が中心Cに入射する光強度の1/e2になる(円形受光部12に光Lの約90%が照射される)状況において、各PDの受光量が互いに等しくなるように設定される。The light L emitted from the output end E of the optical fiber cable OC spreads into a conical shape with an apex angle θ (full angle) of 14 degrees, for example, as shown in FIGS. 2 and 5, and enters the circular
光入力が一定の場合、円形受光部12が有するPDの個数に応じて、各PDが生成することができる光電流が変動する。それ故、光強度分布に基づいて各PDが生成する光電流が等しくなるように受光面積が設定される際に、円形受光部12が有するPDの個数に応じた円形フォトダイオード14aの直径及び円環状フォトダイオード14bの外径が設定される。 When the optical input is constant, the photocurrent that each PD can generate varies depending on the number of PDs that the circular
例えば直径D0=1mmの円形受光部12が、幅10μmのアイソレーション溝によって、1つの円形フォトダイオード14aと1つの円環状フォトダイオード14bと複数の放射状フォトダイオード16に分割される場合について、図6に円形フォトダイオード14aの直径D1と円環状フォトダイオード14bの外径D2の設定例を示す。 For example, FIG. 6 shows a case where a circular
円形受光部12が10個のPDに分割されて1つの円形フォトダイオード14aと1つの円環状フォトダイオード14bと8個の放射状フォトダイオード16を有する場合には、円形フォトダイオード14aの直径D1が230μm、円環状フォトダイオード14bの外径D2が340μmに設定される。また、円形受光部12が32個のPDに分割されて1つの円形フォトダイオード14aと1つの円環状フォトダイオード14bと30個の放射状フォトダイオード16を有する場合(図3参照)には、円形フォトダイオード14aの直径D1が126μm、円環状フォトダイオード14bの外径D2が179μmに設定される。尚、円形受光部12の直径D0、PDの個数及びアイソレーション溝の幅は、適宜設定することができる。 When the circular
図7は、直径D0=1mmの円形受光部12を分割しないパターン#1の出力(電力)を1とした場合に、分割のパターン別の相対出力を示している。パターン#2は、円形受光部の中心から径方向に延びる直線状の複数のアイソレーション溝によって円形受光部が放射状に30等分されている。このパターン#2は、複数のアイソレーション溝が集中する円形受光部12の中心近傍に光電変換できない無効領域が形成され、相対出力は0.89である。つまり、パターン#2は、パターン#1と比べて円形受光部12に入射する光の利用効率が11%低く、光入力の無駄が大きい。 FIG. 7 shows the relative output for each division pattern, assuming that the output (power) of
パターン#3は、円形受光部の中央に円形受光部と同心状に直径が128μmの円形フォトダイオードを設け、円形フォトダイオードの周りを30等分して30個の放射状フォトダイオードを設けている。円形フォトダイオードによって無効領域がパターン#2よりも縮小しており、パターン#3の相対出力は0.93である。パターン#3は、パターン#2と比べて円形受光部12に入射する光の利用効率が向上している。 In
図3の円形受光部12に相当するパターン#4は、円形受光部の中央部に、この円形受光部と同心状に直径が126μmの円形フォトダイオードと外径が179μmの円環状フォトダイオードを設け、円環状フォトダイオードの外側を30等分して30個の放射状フォトダイオードを設けている。このパターン#4は、円形フォトダイオードの外側にアイソレーション溝の集中によって形成されるはずの無効領域が、円環状フォトダイオードによって形成されない。それ故、パターン#4の相対出力は0.97になり、パターン#2,#3よりも出力を大きくすることができる。従って、パターン#4は、円形受光部12に入射する光の利用効率がパターン#3よりも向上し、無駄になる光入力をパターン#2,#3よりも減少させている。 In
図6のように、円形受光部12が有するPDの数が多くなるほど、円環状フォトダイオード14bの外径D2が小さくなるので、円環状フォトダイオード14bの近傍に複数の放射状アイソレーション溝15が集中するようになる。そのため、円環状フォトダイオード14bの外側に、第2円環状アイソレーション溝13bだけでなく、複数の放射状アイソレーション溝15が夫々幅方向に連なることにより周方向に連なって、光電変換できない環状の無効領域が形成されることになる。 As shown in FIG. 6, as the number of PDs included in the circular
このような無効領域の形成を防止するため、例えば図8のように、円形受光部12は、円環状フォトダイオード14bの外側に、第2円環状アイソレーション溝13bと第3円環状アイソレーション溝13cの間に形成された第2の円環状フォトダイオード14cを有していてもよい。この場合も、円形受光部12の複数のPD(円形フォトダイオード14a、2つの円環状フォトダイオード14b,14c、複数の放射状フォトダイオード16)が生成する光電流が互いに等しくなるように、入力される光Lの光強度分布に基づいて各PDの受光面積が夫々設定される。円形受光部12は、3個以上の円環状フォトダイオードを有していてもよい。尚、図8では、放射状アイソレーション溝15の符号及び放射状フォトダイオード16の符号を一部省略している。 In order to prevent the formation of such an ineffective area, for example, as shown in FIG. 8, the circular
図示を省略するが、円環状フォトダイオードを増加させた場合でも、円形受光部12の複数のPDは、複数の導電性部材25によって直列に接続される。以上のように、円形受光部12が有するPDの数が多い場合でも、円形フォトダイオードと1つ以上の円環状フォトダイオードによって無効領域の形成を防いで、円形受光部12に入射する光の利用効率を高くすることができる。 Although not shown, even when the number of annular photodiodes is increased, the plurality of PDs of the circular
光給電コンバータ1は、半導体受光素子10の代わりに、図9、図10に示すような裏面入射型の半導体受光素子10Aを用いて構成することができる。裏面入射型の半導体受光素子10Aは、半導体受光素子10の一部を変更した構造であり、半導体受光素子10と共通する部分には同じ符号を付して説明を省略する。 The optical
半導体受光素子10Aの半導体基板20は、入射光に対して透明な材料で形成され、入射する光Lを吸収せずに透過させる。例えばInP基板は、波長が概ね1μm以上の赤外光に対して透明である。半導体基板20の光Lの入射面(裏面)には、光Lの反射を抑制する反射防止膜26が形成されていることが好ましい。円形受光部12は、上記と同様にアイソレーション溝によって分割され、複数のPD(円形フォトダイオード14aと円環状フォトダイオード14bと複数の放射状フォトダイオード16)を有する。 The
複数のPDは、上記と同様に入射する光Lの光強度分布に基づいて、受光量が互いに等しくなるように受光面積が夫々設定されている。これら複数のPDは、p型半導体層23に接続されたアノード電極27と、n型半導体層21に接続されたカソード電極28を夫々備えている。尚、図9では、放射状フォトダイオード16の符号を一部省略している。 The light receiving area of each of the plurality of PDs is set based on the light intensity distribution of the incident light L in the same way as described above so that the amount of light received is equal to each other. These plurality of PDs each include an
円形受光部12の複数のPDが基台3に形成された複数の導電性部材4によって直列に接続されるように、隣り合うPDのうちの一方のアノード電極27と他方のカソード電極28とが対応する導電性部材4に例えば導電性ペースト6によって固定されている。図示を省略するが、この円形受光部12で生成された光電流を出力端子部2a,2bから出力するために、直列接続された複数のPDの両端の導電性部材4が対応する配線部3a,3bに接続されている。複数の導電性部材4が円形受光部12に入射する光Lを遮らないので、複数のPD間の光電流のばらつきを一層小さくすることができる。 The
上記光給電コンバータ1の作用、効果について説明する。
光給電コンバータ1は、光ファイバケーブルOCから入力される入射光Lを半導体受光素子10,10Aにより光電流に変換して出力する。半導体受光素子10,10Aは、光電変換により光電流を生成する円形受光部12を有する。円形受光部12は、その外周に沿って形成された外周アイソレーション溝13nの内側が、この円形受光部12と同心の複数の円環状アイソレーション溝13a,13bと複数の放射状アイソレーション溝15によって分割されている。これにより円形受光部12には、中央部の円形フォトダイオード14aと、その外側で周方向に並ぶ複数の放射状フォトダイオード16と、円形フォトダイオード14aの外周を仕切る円環状アイソレーション溝13aの外側で複数の放射状アイソレーション溝15が周方向に連なる光電変換できない無効領域の形成を防ぐために、1つ以上の円環状フォトダイオード14bが形成されている。これら円形フォトダイオード14aと円環状フォトダイオード14bと放射状フォトダイオード16は、入射光の光強度分布と円形受光部の分割数とに基づいて受光量が互いに等しくなるように受光面積が夫々設定され、複数の導電性部材25,4によって直列に接続されている。
The operation and effects of the optical
The optical
円形受光部12が有する複数のフォトダイオードの受光量が互いに等しくなるので、これらフォトダイオードで生成される光電流のばらつきを小さくすることができる。それ故、これらフォトダイオードを直列に接続した円形受光部12は、生成する光電流が小さいフォトダイオードによる出力の低下を防止することができる。従って、この円形受光部12を有する半導体受光素子10,10Aから外部に給電する光給電コンバータ1の出力低下を防止することができる。また、円環状及び放射状のアイソレーション溝では光電流が生成されないが、円形受光部12の中央部に形成された円形フォトダイオード14aと円環状フォトダイオード14bによって、入射光の光強度が大きい部分が光電流に変換されずに無駄になることを防止することができる。 Since the amounts of light received by the plurality of photodiodes included in the circular
複数の放射状アイソレーション溝15は、円形受光部12の中心Cを通る中心軸に対して回転対称状に形成されている。円環状フォトダイオード14bの外側が複数の放射状アイソレーション溝15によって円形受光部12の周方向に等分されるので、複数の放射状フォトダイオード16の受光面積を容易に等しくすることができる。そして、光ファイバケーブルOCから入力される入射光は、光軸OAに対して回転対称の光強度分布なので、その光軸OAが円形受光部12の中心Cを通るように入射させることにより、円形フォトダイオード14aと円環状フォトダイオード14bと各放射状フォトダイオード16とで、受光量を互いに等しくすることができる。従って、これらフォトダイオードで生成される光電流のばらつきを小さくして、光給電コンバータ1の出力の低下を防ぐことができる。 The plurality of
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。 In addition, those skilled in the art can implement various modifications to the above-described embodiments without departing from the spirit of the present invention, and the present invention includes such modifications.
1 :光給電コンバータ
2a,2b:出力端子部
3 :基台
4 :導電性部材
5 :カバー
5a :挿入孔
10,10A:半導体受光素子
10a,10b:電極
11a,11b:導電性ワイヤ
12 :円形受光部
13a~13c:第1~第3円環状アイソレーション溝(円環状アイソレーション溝)
13n:外周アイソレーション溝
14a:円形フォトダイオード
14b:円環状フォトダイオード
14c:第2の円環状フォトダイオード
15 :放射状アイソレーション溝
16 :放射状フォトダイオード
17 :貫通孔
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
26 :反射防止膜
27 :アノード電極
28 :カソード電極
OC :光ファイバケーブル
E :出射端
L :光(入射光)1: Optical
13n: Outer
Claims (2)
前記半導体受光素子は円形受光部を備え、
前記円形受光部は、その外周に沿って形成された外周アイソレーション溝の内側がこの円形受光部と同心の複数の円環状アイソレーション溝及び前記円形受光部の中心に対して放射状に形成された複数の放射状アイソレーション溝によって分割されて、前記円形受光部の中央部の円形フォトダイオードと、この円形フォトダイオードの外側で周方向に並ぶ複数の放射状フォトダイオードと、前記円形フォトダイオードの外周を仕切る円環状アイソレーション溝の外側で複数の前記放射状アイソレーション溝が周方向に連なる光電変換できない無効領域の形成を防ぐ1つ以上の円環状フォトダイオードを有し、
前記円形フォトダイオードと前記円環状フォトダイオードと前記放射状フォトダイオードは、前記入射光の光軸から離隔するほど光強度が低下すると共にこの光軸に対して回転対称の光強度分布と、前記円形受光部の分割数とに基づいて受光量が互いに等しくなるように受光面積が夫々設定され、
前記円形フォトダイオードと前記円環状フォトダイオードと複数の前記放射状フォトダイオードが複数の導電性部材によって直列に接続されたことを特徴とする光給電コンバータ。 In an optical power supply converter that converts incident light input from an optical fiber cable into a photocurrent using a semiconductor photodetector and outputs it,
The semiconductor light-receiving element includes a circular light-receiving section,
The circular light-receiving section has an outer peripheral isolation groove formed along its outer periphery, and an inner side thereof is formed radially with respect to a plurality of annular isolation grooves concentric with the circular light-receiving section and a center of the circular light-receiving section. A plurality of radial isolation grooves partition the circular photodiode at the center of the circular light-receiving section, a plurality of radial photodiodes arranged circumferentially outside the circular photodiode, and an outer periphery of the circular photodiode. one or more annular photodiodes that prevent the formation of an ineffective region in which photoelectric conversion is not possible, where the plurality of radial isolation grooves are connected in the circumferential direction outside the annular isolation groove;
The circular photodiode, the annular photodiode, and the radial photodiode each have a light intensity distribution in which the light intensity decreases as the distance from the optical axis of the incident light increases, and the light intensity distribution is rotationally symmetrical with respect to the optical axis, and the circular light receiving The light receiving area is set so that the amount of light received is equal to each other based on the number of divisions of the parts,
An optical power supply converter characterized in that the circular photodiode, the annular photodiode, and a plurality of the radial photodiodes are connected in series by a plurality of conductive members.
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/JP2022/023117 WO2023238279A1 (en) | 2022-06-08 | 2022-06-08 | Optical power supply converter |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPWO2023238279A1 JPWO2023238279A1 (en) | 2023-12-14 |
JP7412834B1 true JP7412834B1 (en) | 2024-01-15 |
JPWO2023238279A5 JPWO2023238279A5 (en) | 2024-05-21 |
Family
ID=89117749
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2023544122A Active JP7412834B1 (en) | 2022-06-08 | 2022-06-08 | optical power converter |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP7412834B1 (en) |
WO (1) | WO2023238279A1 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20110108081A1 (en) | 2006-12-20 | 2011-05-12 | Jds Uniphase Corporation | Photovoltaic Power Converter |
JP2015072251A (en) | 2013-09-04 | 2015-04-16 | カシオ計算機株式会社 | Solar panel and clock |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH02224375A (en) * | 1989-02-27 | 1990-09-06 | Toshiba Corp | Solar cell module |
-
2022
- 2022-06-08 JP JP2023544122A patent/JP7412834B1/en active Active
- 2022-06-08 WO PCT/JP2022/023117 patent/WO2023238279A1/en unknown
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US20110108081A1 (en) | 2006-12-20 | 2011-05-12 | Jds Uniphase Corporation | Photovoltaic Power Converter |
JP2015072251A (en) | 2013-09-04 | 2015-04-16 | カシオ計算機株式会社 | Solar panel and clock |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPWO2023238279A1 (en) | 2023-12-14 |
WO2023238279A1 (en) | 2023-12-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20200152813A1 (en) | One-dimensional metallization for solar cells | |
US4354115A (en) | Photocoupling device | |
US9880050B2 (en) | Optical transmission module | |
CN107742824B (en) | Vertical cavity surface emitting semiconductor laser and manufacturing method thereof | |
US20170047462A1 (en) | Electric power transfer system using optical power transfer | |
US20200313391A1 (en) | VCSEL array with tight pitch and high efficiency | |
CN113167638A (en) | Optical detection device | |
JP7412834B1 (en) | optical power converter | |
WO2023238280A1 (en) | Optical power supply converter | |
JP7178152B1 (en) | optical power converter | |
JP7017829B1 (en) | Optical power converter | |
WO2023248372A1 (en) | Optical power feed converter | |
JP2018098399A (en) | Semiconductor photodetector | |
CN109038216B (en) | Multi-beam vertical cavity surface emitting laser chip and manufacturing method thereof | |
SE501723C2 (en) | Optical amplification device and use of the device | |
CN114284305B (en) | Photoelectric detector, preparation method thereof and ray detection device | |
JP7178151B1 (en) | optical power converter | |
JP7246808B1 (en) | optical power converter | |
JPS6195580A (en) | Photoreceptor and photoelectric device containing the same photoreceptor | |
WO2024095405A1 (en) | Optical electric power supply converter | |
US7741691B2 (en) | Semiconductor photodetector | |
JPH04261072A (en) | Semiconductor photodetector | |
JP7101437B1 (en) | Optical power converter | |
US20230118125A1 (en) | Optical semiconductor element | |
US20220020805A1 (en) | Photodetector |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20230725 |
|
A871 | Explanation of circumstances concerning accelerated examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A871 Effective date: 20230725 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20230725 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20230922 |
|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20231117 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20231219 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20231220 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 7412834 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313113 |