WO2024004151A1 - 光給電コンバータ - Google Patents

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WO2024004151A1
WO2024004151A1 PCT/JP2022/026307 JP2022026307W WO2024004151A1 WO 2024004151 A1 WO2024004151 A1 WO 2024004151A1 JP 2022026307 W JP2022026307 W JP 2022026307W WO 2024004151 A1 WO2024004151 A1 WO 2024004151A1
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light
conical surface
receiving section
light receiving
circular
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尚友 磯村
悦司 大村
Original Assignee
株式会社京都セミコンダクター
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    • 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
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to an optical power supply converter that converts light input through an optical fiber cable into electric power and supplies the converted electric power.
  • 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.
  • 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.
  • an optical power supply converter with a high output voltage is used.
  • Patent Document 1 it is possible to increase the output voltage by dividing the circular light-receiving portion of a semiconductor light-receiving element into a plurality of sector-shaped photodiodes by an isolation groove and connecting these in series.
  • the output voltage of a semiconductor light-receiving element composed of a plurality of divided photodiodes connected in series increases as the number of photodiodes increases.
  • the output current is smaller than when it is not divided, and becomes smaller as the number of divisions increases.
  • 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.
  • Patent Document 1 in order to divide the circular light receiving part into the same shape and area, 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 part. A plurality of isolation grooves are concentrated near the center of the circular light receiving section. 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, and the more isolation grooves are formed in the width direction (circumferential direction) at positions farther from the center of the circular light-receiving section. It becomes connected.
  • the plurality of isolation grooves are continuous in the circumferential direction, and a regular polygonal region having one side equal to the width of the isolation groove is formed near the center of the circular light receiving section. Since photoelectric conversion cannot be performed in the isolation groove, this regular polygonal region is an ineffective region in which no photocurrent can be generated. This invalid area becomes larger as the number of divisions of the circular light receiving section increases.
  • the light intensity distribution of the incident 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 light intensity distribution.
  • the optical axis of the light is perpendicular to the circular light-receiving section and passes through the center of the circular light-receiving section. is made incident.
  • the part of the incident light with high light intensity near the optical axis is irradiated onto the ineffective area formed near the center of the circular light-receiving section, and is not converted into photocurrent and is wasted, so the output of the optical power supply converter must be increased. Can not do it.
  • the present invention aims to improve the output of a light-fed converter having a semiconductor light-receiving element formed by a plurality of photodiodes in which a circular light-receiving portion is equally divided in the circumferential direction and connected in series.
  • the optical power supply converter according to the invention of claim 1 includes a reflecting mirror that reflects light input through an optical fiber cable, and a semiconductor light receiving element that converts the light reflected by the reflecting mirror into a photocurrent.
  • the semiconductor light receiving element has a circular light receiving part formed on a semiconductor substrate to generate a photocurrent, and a through hole passing through the center of the circular light receiving part and penetrating the semiconductor light receiving element,
  • the light receiving section includes a plurality of photodiodes that are equally divided by a plurality of linear isolation grooves extending radially from the center of the circular light receiving section and connected in series by a plurality of conductive members.
  • the mirror has a conical surface with its apex facing the semiconductor light receiving element as a reflecting surface, and is arranged such that the axis of symmetry of the conical surface is perpendicular to the circular light receiving section and passes through the center of the circular light receiving section, Light inputted through the through hole with its optical axis aligned with the axis of symmetry is reflected by the reflecting mirror and converted into annular light, which is evenly distributed to the plurality of photodiodes of the circular light receiving section. It is characterized in that it is configured so that it can be incident.
  • the light input through the optical fiber cable is reflected by the reflecting mirror and converted into annular light.
  • This annular light is equally incident on a plurality of photodiodes that are equally divided in the circumferential direction of the circular light receiving section. Therefore, variations in photocurrents of a plurality of photodiodes can be reduced.
  • the reflecting mirror is formed on a first conical surface near the axis of symmetry and on the outside of the first conical surface, and It is characterized by having second conical surfaces each having a larger base angle than the respective reflecting surfaces. According to the above configuration, the reflecting mirror converts a portion of the input light near the optical axis into an annular shape with the first conical surface and makes it enter the circular light receiving portion, and converts the remaining portion outside of the portion into the circular light receiving portion with the second conical surface. The light is converted into an annular shape and incident on the circular light receiving section.
  • the cross section of the cone including the axis of symmetry is an isosceles triangle, and the angle between the base of the cone and the generatrix, which corresponds to the base angle of this isosceles triangle, is the base angle of the cone. Since the base angle of the second conical surface is larger than the base angle of the first conical surface, the reflection angle at the second conical surface can be made larger than that of the first conical surface, and the reflection angle by the second conical surface can be The light can be incident at a large distance from the center of the circular light receiving section. Therefore, since the reflecting mirror can be brought close to the semiconductor light receiving element so as to maintain the annular outer diameter of the light, the optical power feeding converter can be downsized.
  • the reflecting mirror is formed on a first conical surface near the axis of symmetry and on the outside of the first conical surface, and It is characterized by having second conical surfaces each having a smaller base angle than the surface as a reflecting surface. According to the above configuration, the reflecting mirror converts a portion of the input light near the optical axis into an annular shape with the first conical surface and makes it enter the circular light receiving portion, and converts the remaining portion outside of the portion into the circular light receiving portion with the second conical surface. The light is converted into an annular shape and incident on the circular light receiving section.
  • the cross section of the cone including the axis of symmetry is an isosceles triangle, and the angle between the base of the cone and the generatrix, which corresponds to the base angle of this isosceles triangle, is the base angle of the cone. Since the base angle of the second conical surface is smaller than the base angle of the first conical surface, the reflection angle at the first conical surface is increased so that the light reflected by the first conical surface and the light reflected by the first conical surface are separated from the axis of symmetry. The light reflected by the two conical surfaces can be reflected so as to intersect.
  • the input light can be directed to the outer circumferential side of the circular light-receiving section while avoiding the vicinity of the through hole where isolation grooves are crowded, reducing the amount of wasted light that enters the isolation grooves. It is possible to improve the output of the optical power supply converter.
  • optically-fed converter of the present invention it is possible to improve the output of an optically-fed converter having a semiconductor light-receiving element formed by a plurality of photodiodes in which the circular light-receiving section is equally divided in the circumferential direction and connected in series. can.
  • FIG. 1 is a perspective view of an optical power supply converter according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the incidence of light on a semiconductor light receiving element included in the optical power feeding converter of FIG. 1.
  • FIG. 3 is a plan view of the semiconductor light receiving element of FIG. 2 viewed from the light incident side. 4 is a sectional view taken along the line IV-IV in FIG. 3.
  • FIG. 2 is a light intensity distribution diagram of light input via an optical fiber cable.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of light that is converted into an annular shape by a reflecting mirror.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram of the incident position of input light on a reflecting mirror and the incident position on a semiconductor light receiving element.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram of light converted into an annular shape by a reflecting mirror of the optical power supply converter according to Example 2 of the present invention.
  • 12 is a diagram showing another example of the reflecting mirror shown in FIG. 11.
  • the optical power supply converter 1 converts light (incident light L1) input via, for example, a single mode optical fiber cable OC into a photocurrent, and supplies this photocurrent to the outside. It has a pair of output terminal parts 2a and 2b for.
  • the base 3 equipped with a pair of output terminals 2a and 2b includes a semiconductor light receiving element 10 for generating a photocurrent by photoelectric conversion from received light, and a semiconductor light receiving element 10 for protecting and shielding the semiconductor light receiving element 10.
  • the covers 5 are fixed to each other by, for example, adhesive.
  • a pair of electrodes 10a and 10b for outputting photocurrent of the semiconductor light receiving element 10 are connected to wiring parts 3a and 3b connected to corresponding output terminal parts 2a and 2b, for example, by conductive wires 11a and 11b. has been done.
  • the incident light L1 input via the optical fiber cable OC is infrared light with a wavelength of, for example, about 1.5 ⁇ m. After the incident light L1 is emitted from the output end E of the optical fiber cable OC, it is a conical beam whose irradiation range becomes wider as it advances.
  • the cover 5 includes a reflecting mirror 6 having a conical surface 6a as a reflecting surface in order to reflect the incident light L1 toward the semiconductor light receiving element 10.
  • the reflecting mirror 6 is configured to align the symmetry axis 6b of the conical surface 6a with the apex of the conical surface 6a (the apex of the cone) facing the circular light receiving portion 12 of the semiconductor light receiving element 10.
  • the extension line (axis of symmetry) is arranged perpendicularly to the circular light receiving section 12 and passing through the center C of the circular light receiving section 12 .
  • the semiconductor light receiving element 10 has a through hole 10c that passes through the semiconductor light receiving element 10 through the center C of the circular light receiving portion 12.
  • the base 3 has a through hole 3c that is coaxial with the through hole 10c and passes through the base 3.
  • the optical fiber cable OC is inserted into a through hole in which these through holes 3c and 10c are connected, and its output end E is fixed at a position separated from the reflecting mirror 6 by a predetermined distance. At this time, the output end E is positioned so that the optical axis OA of the incident light L1 and the axis of symmetry of the reflecting mirror 6 coincide.
  • the reflecting mirror 6 reflects the incident light L1 and converts it into annular light L2. This annular light L2 enters the circular light receiving section 12 of the semiconductor light receiving element 10.
  • a circular PIN type photodiode equipped with, for example, a light absorption layer is formed by a plurality of linear isolation grooves 13 extending radially with respect to the center C thereof. It is equally divided into a plurality of photodiodes 14.
  • the circular light receiving section 12 is equally divided in the circumferential direction by 30 isolation grooves 13, and 30 photodiodes 14 are formed.
  • a plurality of photodiodes 14 electrically isolated by a plurality of isolation grooves 13 are connected in series by a conductive member 25. In FIG. 3, some of the symbols of the isolation groove 13, the photodiode 14, and the conductive member 25 are omitted.
  • a through hole 10c is formed in the center of the circular light receiving section 12, passing through the center C and penetrating the semiconductor light receiving element 10.
  • the through hole 10c is formed so that the output end E of the optical fiber cable OC can be inserted therethrough, and at least an optical fiber consisting only of a core and a cladding is inserted therethrough.
  • the through hole 10c side of the plurality of photodiodes 14 may be retreated radially outward with respect to the through hole 10c so as to prevent contact with the optical fiber cable OC.
  • the plurality of linear isolation grooves 13 are formed with a constant width radially with respect to the center C of the circular light receiving section 12 so that the plurality of photodiodes 14 have the same shape and light receiving area. Further, an annular isolation groove 15 is formed along the outer periphery of the circular light receiving portion 12, and a plurality of linear isolation grooves 13 are connected by the annular isolation groove 15. The plurality of isolation grooves 13 are closely packed on the outside of the through hole 10c, and adjacent isolation grooves 13 are continuous in the width direction, so that the plurality of isolation grooves 13 are continuous in the circumferential direction of the circular light receiving section 12. Note that an annular isolation groove may be formed on the outside of the through hole 10c.
  • the ratio of the photodiode 14 to the isolation groove 13 in the circumferential direction of the circular light receiving section 12 is smaller toward the through hole 10c. It becomes larger toward the outer circumference. Since the isolation groove 13 cannot generate a photocurrent, it is preferable to form the isolation groove 13 with a small width and a straight line so that the area occupied by the isolation groove 13 in the area of the circular light receiving section 12 is reduced.
  • the photodiode 14 includes, for example, an n-type semiconductor layer 21, a light absorption layer 22, and a p-type semiconductor layer 23, which are stacked on a semi-insulating semiconductor substrate 20.
  • the semiconductor substrate 20 is, for example, an InP substrate
  • the n-type semiconductor layer 21 is, for example, an n-InP layer
  • the light absorption layer 22 is, for example, an InGaAs layer
  • the p-type semiconductor layer 23 is, for example, a p-InP layer. It is not limited to this.
  • the photodiode 14 is not limited to the PIN type. Note that the thicknesses of the n-type semiconductor layer 21, the light absorption layer 22, and the p-type semiconductor layer 23 can be set as appropriate, and are often formed to a thickness of about 0.5 to 10 ⁇ m.
  • the isolation grooves 13 and 15 are formed by etching the semiconductor substrate 20, in which the n-type semiconductor layer 21, the light absorption layer 22, and the p-type semiconductor layer 23 are stacked, from the p-type semiconductor layer 23 side so that the semiconductor substrate 20 is exposed. It is formed by Thereby, the circular light receiving section 12 is divided into a plurality of electrically isolated photodiodes 14. The plurality of photodiodes 14 are connected in series by a conductive member 25 whose main component is, for example, gold. Note that the isolation grooves 13 and 15 may have sidewalls formed in an inclined shape, for example, so that the width becomes narrower toward the semiconductor substrate 20 side.
  • the plurality of photodiodes 14 each have a connection hole 17 that penetrates the p-type semiconductor layer 23 and the light absorption layer 22 and reaches the n-type semiconductor layer 21. Then, an insulating protective film is formed to cover the surfaces of the plurality of photodiodes 14 and the side walls of the connection holes 17 of these photodiodes 14 and to bury the plurality of linear isolation grooves 13 and annular isolation grooves 15. 24 is formed. Although the protective film 24 preferably has a light reflection prevention function, an antireflection film not shown may be further formed.
  • each photodiode 14 the protective film 24 on the p-type semiconductor layer 23 and inside the connection hole 17 is partially removed, and the n-type semiconductor layer 21 is exposed at the p-type semiconductor layer 23 and the bottom of the connection hole 17, respectively. .
  • a plurality of photodiodes 14 in series using a plurality of conductive members 25 one exposed The p-type semiconductor layer 23 and the other exposed n-type semiconductor layer 21 are connected by a conductive member 25 .
  • Conductive members 25 at both ends of the plurality of photodiodes 14 connected in series are connected to corresponding electrodes 10a and 10b.
  • the conductive member 25 is formed by selectively depositing a metal laminated film using, for example, a lift-off method.
  • the metal laminated film is composed of an adhesion layer such as titanium or chromium, and a low resistivity layer such as gold, silver, or aluminum. Since the isolation grooves 13 and 15 are filled with the protective film 24 and have small steps, the conductive member 25 can be easily formed.
  • the isolation groove 13 does not need to be completely filled with the protective film 24, and it is sufficient that the level difference is small enough to form the conductive member 25.
  • an anode electrode connected to the p-type semiconductor layer 23 and a cathode electrode connected to the n-type semiconductor layer 21 are formed.
  • the anode electrode and the other cathode electrode may be connected by a conductive member 25.
  • one anode electrode and the other cathode electrode are connected between adjacent photodiodes 14 in the same way as described above by using a conductive wire mainly made of gold as the conductive member 25. May be connected.
  • the optical power supply converter 1 equipped with this semiconductor light receiving element 10 can supply power at a high voltage.
  • the incident light L1 emitted from the output end E of the optical fiber cable OC is a beam that propagates while expanding into a conical shape with an apex angle ⁇ (full angle) of 14°, for example.
  • the light intensity distribution of this incident light L1 becomes a Gaussian distribution on the plane P perpendicular to the optical axis OA, and the light intensity decreases as the distance from the optical axis OA increases, and the light intensity distribution is rotationally symmetrical with respect to the optical axis OA. become.
  • the outermost periphery of the incident light L1 is defined as the point where the light intensity becomes 1/e 2 of the light intensity on the optical axis OA.
  • the reflecting mirror 6 has a conical surface 6a as a reflecting surface.
  • the conical surface 6a is rotationally symmetrical about the axis of symmetry 6b. Since the cross section of the cone including the axis of symmetry is an isosceles triangle, the angle between the base of the cone and the generatrix, which corresponds to the base angle of this isosceles triangle, is the base angle of the cone. Assuming that the base angle of the conical surface 6a of the reflecting mirror 6 is ⁇ , the apex angle ⁇ (half angle) of the conical surface 6a is ( ⁇ /2) ⁇ .
  • the reflecting mirror 6 is installed at a certain distance from the semiconductor light receiving element 10.
  • s be the distance between the output end E and the vertex of the conical surface 6a of the reflecting mirror 6 on the extension line of the axis of symmetry 6b (axis of symmetry). This distance s can be set depending on the position of the output end E of the optical fiber cable OC. Further, the distance between the apex of the conical surface 6a and the circular light receiving portion 12 on the axis of symmetry is d.
  • the distance between the emitting end E and the circular light receiving section 12 on the axis of symmetry corresponding to the protruding length or retreating length of the emitting end E with respect to the surface of the circular light receiving section 12 is h.
  • the optical axis OA of the incident light L1 coincides with the axis of symmetry of the conical surface 6a of the reflecting mirror 6.
  • the reflecting mirror 6 reflects the incident light L1, which is a conical beam with an apex angle ⁇ , to convert it into annular light L2, and causes the annular light L2 to enter the circular light receiving portion 12 of the semiconductor light receiving element 10. Since the optical axis OA is made to coincide with the symmetry axis of the conical surface 6a, the reflected light spreads away from the optical axis OA and becomes an annular light L2. In the light intensity distribution of this annular light L2, the light intensity is highest at the inner diameter portion in the radial direction, and the light intensity decreases toward the outer diameter side. Further, since the incident light L1 has an intensity distribution that is rotationally symmetrical with respect to the optical axis OA, the light intensity of the annular light L2 is equal in the circumferential direction. .
  • the incident position of the incident light L1 on the semiconductor light receiving element 10 will be explained.
  • the incident light L1 whose origin is the output end E on the xy plane and whose optical axis OA coincides with the x-axis is emitted from the origin.
  • the incident light L1 enters the conical surface 6a whose apex is a position on the x-axis at a distance s from the origin the point at which the light ray La included in the incident light L1 enters the conical surface 6a is P1 (x1, y1). shall be.
  • the circular light receiving part 12 is divided into 30 equal parts in the circumferential direction by 30 isolation grooves 13 with a width of 14 ⁇ m as shown in FIG.
  • the length of the outer periphery of the regular tridecagonal region formed in series in the direction is 420 ⁇ m. Since the outer diameter D2 of this regular tridecagonal area is 134 ⁇ m, the annular light L2 with an inner diameter of 140 ⁇ m is made to enter the plurality of photodiodes 14 with the same amount of light without entering the regular tridecagonal area. Can be done. At this time, the light input via the optical fiber cable OC can be made to enter the circular light receiving portion 12, which has a diameter D1 larger than the outer diameter of the annular light L2, without waste.
  • the outer diameter of the annular light L2 is equal to or less than the diameter D1 of the circular light receiving portion 12, and the inner diameter is larger than the outer diameter of the regular tridecagonal region including the through hole 10c, for example.
  • a distance s can be set.
  • the inner diameter of the annular light L2 is 200 ⁇ m and the outer diameter is 900 ⁇ m, so it is possible to make the annular light L2 enter the circular light receiving part 12 with a diameter D1 of 1000 ⁇ m without waste. can.
  • angle ⁇ is constant, the larger the distance s, the farther the point P2 is from the center C of the circular light receiving section 12.
  • the distance s is constant, the larger the angle ⁇ is, the farther the point P2 is from the center C of the circular light receiving section 12.
  • the optical power supply converter 1 can be configured using a reflecting mirror 6A as shown in FIGS. 11 and 12 instead of the reflecting mirror 6.
  • the reflecting mirror 6A has a conical surface 6a near the symmetry axis 6b as a first conical surface when viewed from the semiconductor light receiving element 10 side, and a conical surface 6c outside the conical surface 6a as a second conical surface. , 6c are reflective surfaces.
  • the parts other than the reflecting mirror 6A are the same as those in the first embodiment, and are given the same reference numerals as above and the explanation thereof will be omitted.
  • the symmetry axes of the conical surface 6a and the conical surface 6c are on the same axis.
  • the conical surface 6a has a base angle of ⁇ , and reflects a portion of the incident light L1 near the optical axis OA to convert it into a circular shape.
  • the conical surface 6c has a base angle of ⁇ ', and reflects the remaining portion of the incident light L1 outside the portion near the optical axis OA that is incident on the conical surface 6a, thereby converting it into a toric shape.
  • the annular light L2 includes both of the lights reflected by these conical surfaces 6a and 6c. Note that the annular light L2 may have a double annular shape because the light reflected by the conical surface 6a and the light reflected by the conical surface 6c are separated.
  • the incident angle of the light that is incident on the conical surface 6c of the incident light L1 is set to be It can be made larger than the incident angle of light. Therefore, the light incident on the conical surface 6c is reflected so as to be farther away from the optical axis OA than the light incident on the conical surface 6a, and is incident on the outer peripheral side of the circular light receiving section 12.
  • the incident position on the circular light receiving section 12 can be set in the same manner as described above.
  • the distance s can be made small so that the outer diameter of the annular light L2 is maintained.
  • the optical power feeding converter 1 can be downsized. Note that when the distance s is made small, the inner diameter of the annular light L2 is also made small.
  • the incident angle of the light incident on the conical surface 6a of the incident light L1 is changed to the conical surface 6c.
  • the angle of incidence can be made larger than the angle of incidence of the incident light. Therefore, the light incident on the conical surface 6a is reflected so as to be farther away from the optical axis OA than the light incident on the conical surface 6c, and the light reflected on the conical surfaces 6a and 6c intersect, The light can be made incident on the circular light receiving section 12.
  • the incident position on the circular light receiving section 12 can be set in the same manner as described above.
  • the conical surface 6a allows the light having high light intensity near the optical axis OA of the incident light L1 to enter the outer peripheral side of the circular light receiving section 12 without increasing the distance s. This makes it possible to avoid the vicinity of the through hole 10c where the isolation grooves 13 are concentrated, and make the annular light L2 enter the outer circumferential side of the circular light receiving section 12 where the ratio of the photodiodes 14 in the circumferential direction is large. Therefore, the amount of wasted light that enters the isolation groove 13 can be reduced, and the output of the optical power supply converter 1 can be improved.
  • the operation and effects of the optical power feeding converter 1 will be explained.
  • Light input via the optical fiber cable OC (incident light L1) is reflected by the reflecting mirror 6 and converted into annular light L2.
  • This annular light L2 is equally incident on the plurality of photodiodes 14 equally divided in the circumferential direction of the circular light receiving section 12, so that variations in the photocurrent of the plurality of photodiodes 14 can be reduced.
  • the light L2 since the light L2 is annular, it should not be made to enter the vicinity of the through hole 10c where a plurality of isolation grooves 13 that do not generate photocurrent are densely packed, thereby reducing the amount of light that is wasted without being photoelectrically converted. Can be done.
  • the photocurrent of the semiconductor light receiving element 10 having the circular light receiving section 12 formed by connecting a plurality of photodiodes 14 divided in the circumferential direction in series can be increased, and the output of the optical power supply converter 1 can be improved. can be done.
  • a reflecting mirror having a conical surface 6a (first conical surface) near the axis of symmetry and a conical surface 6c (second conical surface) formed outside the conical surface 6a and having a larger base angle than the conical surface 6a as reflective surfaces.
  • a portion of the incident light L1 near the optical axis OA is made incident on the conical surface 6a, and the remaining portion on the outside thereof is made incident on the conical surface 6c. Since the base angle of the conical surface 6c is larger than the base angle of the conical surface 6a, the reflection angle on the conical surface 6c can be increased, and the light reflected on the conical surface 6c is directed to the circular light receiving portion 12 at a large distance from the center C thereof.
  • the optical power supply converter 1 can be downsized by maintaining the outer diameter of the annular light L2.
  • a reflecting mirror having a conical surface 6a (first conical surface) near the axis of symmetry and a conical surface 6c (second conical surface) formed outside the conical surface 6a and having a smaller base angle than the conical surface 6a as reflective surfaces.
  • a portion of the incident light L1 near the optical axis OA is made incident on the conical surface 6a, and the remaining portion on the outside thereof is made incident on the conical surface 6c. Since the base angle of the conical surface 6a is larger than the base angle of the conical surface 6c, the reflection angle at the conical surface 6a can be increased.
  • the reflecting mirror 6A can reflect the incident light L1 so that the light reflected by the conical surface 6a and the light reflected by the conical surface 6c intersect while being separated from the axis of symmetry. Therefore, the light reflected by the conical surface 6a can be made to enter the outer circumferential side of the circular light receiving section 12, avoiding the vicinity of the through hole 10c where the isolation grooves 13 are densely arranged.
  • the output of the optical power supply converter 1 can be improved by reducing wasted light.
  • the semiconductor light receiving element 10 may be a back-illuminated light receiving element. Furthermore, since the incident light L1 is converted into annular light L2, the light receiving section that generates the photocurrent is divided into equal parts in the circumferential direction by the plurality of isolation grooves 13 formed radially with respect to the through hole 10c. When all of the annular light L2 is incident on the light receiving section, the outer peripheral shape of the light receiving section can be made into a shape other than a circle, for example, a polygon.
  • those skilled in the art can implement various modifications to the embodiments described above without departing from the spirit of the present invention, and the present invention includes such modifications.

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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

光給電コンバータ
　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／ｅ２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 (3)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
      
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02224375A (ja) * 1989-02-27 1990-09-06 Toshiba Corp 太陽電池モジュール
JPH10150215A (ja) * 1996-11-15 1998-06-02 Yamaura:Kk 太陽光を利用した発電装置
US20110108081A1 (en) * 2006-12-20 2011-05-12 Jds Uniphase Corporation Photovoltaic Power Converter
CN104037178A (zh) * 2013-03-07 2014-09-10 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 输出电压为5V的GaAs激光光伏电池及其制作方法
CN113649595A (zh) * 2021-08-17 2021-11-16 广西大学 用于金属slm打印的环形光斑光学系统及打印方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02224375A (ja) * 1989-02-27 1990-09-06 Toshiba Corp 太陽電池モジュール
JPH10150215A (ja) * 1996-11-15 1998-06-02 Yamaura:Kk 太陽光を利用した発電装置
US20110108081A1 (en) * 2006-12-20 2011-05-12 Jds Uniphase Corporation Photovoltaic Power Converter
CN104037178A (zh) * 2013-03-07 2014-09-10 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 输出电压为5V的GaAs激光光伏电池及其制作方法
CN113649595A (zh) * 2021-08-17 2021-11-16 广西大学 用于金属slm打印的环形光斑光学系统及打印方法

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